Методическое пособие для учащихся 11 классов и учителей по теме "Химическая связь"
методическая разработка по химии (11 класс) по теме

                                   ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ – ЭТО СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, КОТОРЫЕ СОЕДИНЯЮТ ОТДЕЛЬНЫЕ АТОМЫ В МОЛЕКУЛЫ, ИОНЫ, КРИСТАЛЛЫ.

             В зависимости от механизма её образования и характера распределения электронной плотности между химически связанными атомами различают четыре основных типа химической связи:

   -  ковалентную

   -  ионную

   -  металлическую

   -  водородную.

                      Ковалентная связь

            Ковалентная связь – это химическая связь, возникающая в результате образования одной или нескольких электронных пар между взаимодействующими атомами. Ковалентная связь может образовываться по двум механизмам:

   - обменному

   - донорно – акцепторному.

          Обменный механизм – это механизм, при котором каждый атом предоставляет на образование общей электронной пары по одному неспаренному электрону:

                      А  ─   +  B  ─   →  А           В

                            Неспаренные                 общая пара

                                          электроны                    электронов

                Общую пару электронов обозначают черточкой:  А  ─  В.

     По обменному механизму образуется ковалентная неполярная и ковалентная полярная связи.

            Ковалентная неполярная химическая связь – образуется между атомами с одинаковой электроотрицательностью.

   Рассмотрим её образование на примере нескольких молекул.

Н2         Н •    +   • Н    →  Н (••)Н

                                                                                                       H – H

                                                                                                 (s – s  перекрывание)                                        

          В перекрывании могут участвовать электронные облака неспаренных электронов.

                   ••                   ••                      ••        ••

Cl2         •• Cl  •     +      • Cl  ••   →   ••   Cl  ••  Cl  ••                  Cl – Cl      

                  ••                    ••                      ••        ••                      (p – p перекрывание)

σ-связь – это ковалентные связи, при образовании которых область перекрывания электронных орбиталей находится на линии, соединяющей ядра атомов.

                    •                 •                      ••  

N2                ••  N •  +    •   N ••  →  •• N   ••     N ••  

                               •                 •                      ••  

π-связь – это ковалентные связи, при образовании которых область перекрывания электронных облаков находится по обе стороны от линии, соединяющей центры ядер атомов.

σ-связь в молекуле есть всегда, а вот π-связь не существует без σ-связи.

           Ковалентная полярная химическая связь образуется между атомами, которые незначительно отличаются по электроотрицательности (разность электроотрицательностей  взаимодействующих атомов больше 0, но меньше 1,7, т. е. 0 < ∆ЭО < 1,7).  В таких молекулах, как, например, NH3, Н2О,НCl, общая электронная пара, которая образует связь, смещается к атому более электроотрицательного элемента:

                            ••                         δ+     ••  δ-

  Н•        +        •  Cl  ••        →        H •• Cl ••

                            ••                                  ••

(δ – эффективный заряд на атомах). Чем больше разность электроотрицательностей элементов, тем выше абсолютное значение заряда и тем более полярной будет ковалентная связь. Полярные молекулы являются диполями.

     Ковалентная полярная связь образуется в кислотах и кислотных оксидах.

Донорно – акцепторный механизм – это механизм, при котором один атом (донор) вносит неподеленную электронную пару электронов, а другой (акцептор) предоставляет свободную орбиталь:

            А••      +      В     =     А •• В

             Донор          акцептор           ковалентная связь

                                                            по донорно-акцепторному механизму

        Донорно – акцепторная связь существует в ионах и комплексных соединениях (NH4+, PH4+, H3O+, СО, НNO3, КNO3  и т.д.)

    Образование химической связи по донорно – акцепторному механизму рассмотрим на примере иона аммония  NH4+  при  взаимодействии молекулы аммиака с катионом  водорода. При этом взаимодействии неподеленная электронная пара азота переходит на свободную орбиталь иона водорода, и она становится общей для атомов азота и водорода. В результате образуется четвертая ковалентная связь по донорно – акцепторному механизму. Она не отличается по своим свойствам от ковалентной связи, образуемой по обменному механизму.

        +

         Н                                                H

         ••                        +                      │

H ••  N  ••      +      H      =      H─   N  → H

         ••                                                │

         H                                                H

     донор            акцептор        

   Ещё образование химической связи по донорно – акцепторному механизму рассмотрим на примере молекулы оксида углерода (II).

   В молекуле имеется тройная связь, как и в молекуле азота. И третья ковалентная связь образуется по донорно – акцепторному механизму. Т.е. атом кислорода предоставляет одну из свободных электронных пар атому углерода, который находится в невозбужденном состоянии и имеет свободную орбиталь. Атом кислорода является донором, а углерод – акцептором. Тогда электронную и структурную формулы молекулы следует изображать

Атомы углерода и кислорода здесь имеют валентность  III, а степени окисления этих элементов соответственно равны +2 и -2.

        Характеристика ковалентной связи

1. Электроотрицательность – это способность атомов притягивать на себя электроны, которые участвуют в образовании химической связи с другими атомами в молекуле.

Чем больше металличность, тем меньше ЭО.

Чем больше неметалличность, тем больше ЭО.

2. Энергия ионизации – это та энергия, которую нужно затратить, чтобы оторвать у атома один электрон. Самая низкая энергия ионизации у франция Fr.

Энергия ионизации в периодах увеличивается, а в главных подгруппах – уменьшается.

3. Энергия сродства к электрону – это та энергия, которая выделяется при присоединении к  атому одного электрона.

Энергия сродства к электрону в периодах увеличивается, а в главных подгруппах – уменьшается.

4. Энергия химической связи – это та энергия, которую нужно затратить для разрыва всех связей в молекуле.

Чем больше связей в молекуле, тем больше нужно затратить энергии для их разрыва.

5. Длина химической связи – это межъядерное расстояние между атомами в молекуле, образующими связь   С – С (0,154нм),                     С = С (0,134нм),          С ≡ С(0,12нм).

               Энергия и длина связи взаимосвязан: чем больше длина связи, тем меньше энергия.

6. Насыщаемость – это способность атомов образовывать определенное и ограниченное число связей.

Она определяется числом валентных орбиталей. Например, атом водорода может образовать только одну ковалентную связь, атом азота, углерода – не более четырёх связей и т.д. благодаря насыщаемости ковалентной связи, молекулы и ионы имеют определённый состав: Сl2, H2O, CH4 и  т.д.

7. Направленность – это образование связей в направлении наибольшего перекрывания электронных облаков в пространстве.

Часто в образовании химических связей участвуют электроны, которые находятся в различных состояниях, например один и s-, другой — в р-орбиталях. Энергия и форма s- и р-орбиталей различны, поэтому можно было бы ожидать, что прочность и направленность связей должны быть неравноценными. Но опыт показывает, что они равноценны. Это явление объясняется теорией гибридизации, предложенной американским ученым Л. Полингом в 1931 г.

Гибридизация - это смешение близких по энергии атомных орбиталей разной формы, вследствие которого образуются гибридные орбитали, одинаковые по форме и энергии.

При гибридизации происходит изменение формы и энергии атомных орбиталей и вместо неравноценных, например s- и р-орбиталей, образуются равноценные гибридные орбитали, которые имеют одинаковую энергию и форму. Гибридные орбитали асимметричны и сильно вытянуты по одну сторону от ядра. В перекрывании с другими орбиталями участвуют только более вытянутые части гибридных орбиталей. Число гибридных орбиталей равно числу исходных. Так, при гибридизации одной s- и одной р-орбиталей (sp-гибридизация) возникают две гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под углом 180 0 (рис.1)      Рис.1

Химическая связь, образуемая электронами гибридных орбиталей, прочнее связи с участием электронов негибридных орбиталей, так как степень перекрывания гибридных орбиталей с орбиталями других атомов происходит в большей степени. Гибридные орбитали образуют только σ-связи. 

Подвергаться гибридизации могут одноэлектронные и двухэлектронные орбитали с близкими значениями энергий. У атомов с малым значением заряда ядра для гибридизации используются s- и р-орбитали. Гибридизация наиболее характерна для элементов 2 периода II-VI групп.

В группах сверху вниз с увеличением радиуса атомов усиливается различие в энергиях s- и р-электронов, поэтому уменьшается возможность их гибридизации.

        Валентный угол – это угол между воображаемыми линиями, проведенными через ядра химически связанных атомов. (Например, связи О – Н в молекуле воды расположены под углом 104,50).

Геометрическая форма молекул.

          Атомные обитали, участвующие в образовании связей, и их пространственная ориентация определяют геометрическую форму молекул.

Линейная форма молекул. Соединения, имеющие линейную форму молекул, образуются при перекрывании:

♦  двух   s-орбиталей (s — s связь), например Н2.

♦  s- и р -орбиталей (s — р связь): НС1, НВг и др.

♦  двух р-орбиталей (р - р связь): F2, Cl2, Вг2 и т.д.

Молекулы линейной формы образуют также атомы некоторых элементов II группы с атомами водорода или галогенов (ВеН2, ВеГ2). Рассмотрим образование молекулы ВеС12. Атом бериллия в возбужденном состоянии имеет два неспаренных электрона (2s1 и 2р1), следовательно, происходит sp-гибридизация, при которой образуются две sp-гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под углом 180°. При взаимодействии бериллия с галогенами происходит перекрывание двух sp-гибридных орбиталей атома бериллия с Зр-одноэлектронными орбиталями двух атомов хлора, в результате образуется молекула линейной формы.(рис.2)

                 рис.2

     Треугольная форма молекул имеет место при образовании галогенидов бора, алюминия. Возбужденный атом бора имеет три неспаренных электрона (2s1 и 2р2). При образовании химических связей происходит sр2-гибридизация и образуются три sр2-гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости и ориентированы друг к другу под углом 120° (рис.3 а).

При взаимодействии бора с хлором происходит перекрывание трех sр2-гибридных орбиталей атома бора с Зр-одноэлектронными орбиталями трех атомов хлора, в результате образуется молекула, имеющая форму плоского треугольника. Валентный угол в молекуле ВСI3 равен 120° (рис.3б)

                       рис.3

         Тетраэдрическая форма молекулы характерна для соединений элементов IV группы главной подгруппы с галогенами, водородом. Так, атом углерода в возбужденном состоянии имеет четыре неспаренных электрона (2s1 и 2р3), следовательно, происходит sр3-гибридизация, при которой образуются четыре гибридные орбитали, расположенные друг к другу под углом 109,280 (рис. 4а).

При перекрывании четырех sр3-гибридных орбиталей атома углерода с ls-орбиталями четырех атомов водорода образуется молекула метана, которая имеет форму тетраэдра. Валентный угол равен 109,28° (рис.4б).

Ионная связь

Ионная связь – образуется при взаимодействии атомов, которые сильно различаются по электроотрицательности, т. е. это связь между типичными металлами и типичными неметаллами.

   Механизм образования ионной связи такой же, как и ковалентной полярной связи (путём перекрывания электронных облаков с последующим переходом общей электронной пары к атому с большей электроотрицательностью).

Следовательно, природа химической связи едина, и ионную связь рассматривают как предельный случай ковалентно – полярной связи, поэтому говорят о степени ионности связи. Даже в таком соединении, как СsF, ионная связь выражена только на 89%, т. е. соединений с чисто ионной связью нет. Степень ионности связи возрастает с увеличением разности электроотрицательности образующих её атомов.

    Ионная связь образуется в солях, основаниях и основных оксидах т. е. существует между ионами.

                                                                                   _

                                         ••                 +           ••        

NaCl            Na •  +     •  Cl ••   →   Na      ••  Cl ••

                                         ••                              ••

                                                                •                  +        ••       -3

Na3P           Na •  +  Na •  +  Na •  +   •  P ••   →  Na3     •• P ••

                                                                •                            ••

                                                                                                         _

                                         ••                ••                  2+         ••              

CaF2                   Ca ••   +    •  F  ••   +   •  F  ••   →   Ca        ••  F  ••  

                                         ••                ••                               ••       2

Металлическая связь

Металлическая связь – это связь между ионами и атомами металлов и относительно свободными электронами.

    Сущность образования металлической связи состоит в следующем. Атомы металлов легко отдают наружние электроны, и некоторые из них превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся от атомов электроны относительно свободно перемещаются между возникшими положительными ионами металлов. Между этими частицами возникает металлическая связь, т. е. электроны как бы цементируют положительные ионы в металлической решетке. Таким строением металлов обусловлены и их характерные физические свойства.

     Электро – и теплопроводность зависят от наличия в металлических решетках свободных электронов. Ковкость и пластичность металлов объясняется тем, что ионы и атомы металлов в металлической решетке друг с другом непосредственно не связаны и отдельные их слои могут свободно перемещаться один относительно другого.

    Металлическая связь характерна для сплавов и для металлов в твердом и жидком состояниях.

                          Водородная связь

Водородная связь – это связь между положительно заряженным атомам водорода одной молекулы и отрицательно заряженным  атомом сильно  электроотрицательного  элемента (О, N, F) другой молекулы.

    Чем больше электроотрицательность элемента, с которым образует соединение водород, тем больше энергия водородной связи. Образование водородной связи приводит к ассоциации (соединение) молекул. Водородная межмолекулярная связь сильнее проявляется у соединений фтора и кислорода, слабее – у соединений азота:

            δ+     δ-           δ+     δ-               δ+     δ-           δ+     δ-        

           Н  ─  F    +     Н  ─  F    →       Н  ─  F    ···     Н  ─  F  

                                                                                     Водородная связь  

   Водородная связь гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем межмолекулярное взаимодействие. В связи с этим водородные связи малоустойчивы и довольно легко разрываются (например, при таянии льда и кипении воды). На разрыв этих связей требуется дополнительная энергия, поэтому температуры плавления и кипения вещества, в которых молекулы ассоциированы (соединены) между собой, оказываются выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей.

   Существует ещё и внутримолекулярная водородная связь, которая характерна для  органических соединений ( вторичная структура белков, двойная спираль ДНК).

Задания для самостоятельной работы

1. Напишите графическую формулу молекулы оксида углерода ( IV ). Сколько σ – и  π – связей в этой молекуле?
2. Напишите электронные и графические формулы следующих молекул: НF,  Н2О,  Н2 ,  СО,  ОF2,   СН4,  Br2,  NН3.   и определите тип химической связи.
3. Напишите электронные формулы атомов следующих элементов: Li, Sr, Br, S.  Какие ионы могут образовывать атомы этих элементов?

Напишите уравнения процессов образования этих ионов.

4. Какие из следующих веществ являются ионными соединениями: Н2 ,                                                               Са3N2,   РН3 ,    НF,    Na2S,     KCl,   Na3N?  Почему?  Напишите схемы образования молекул с ионными связями.
5. Покажите схему образования катиона гидроксония (между молекулой воды и катиона водорода). Какой атом является донором и какой – акцептором электронов?

Контроль знаний по теме: «Химическая связь».

1.  Вещество, молекула которого обладает ковалентной полярной связью, - это:

А)  фтор

Б)  графит

В)  железо

Г)  вода.

2.  Укажите, в каком соединении имеются все ковалентные полярные                     связи:

          А)  Na2SO4

          Б)  H2SO4

          В)  СаCl2

          Г)  MgCO3

3. Соединения с ковалентной полярной и ковалентной неполярной связью     являются соответственно

          А)  NaCl  и  Cl2

          Б)   НСl   и   О2

          В)   О3    и   НF

          Г)  NH 3  и  Н2О

4.  Число π – связей в молекуле серной кислоты

А)  4                 Б)  2               В)  8                 Г)  6

5.  В каком ряду записаны вещества только с ионной связью?

     А)  ТiО2,  Са3N2,  Na2S

     Б)   СО,   NaIO3,   С2Н5ОН

     В)   КClO3,   С2Н2,  NaBr

     Г)    Н2S,   AlCl3,   NaHCO3

6.  Число σ – связей в молекуле этанола

          А)  6        Б)  8               В)  7                 Г)  5

7.   По донорно – акцепторному механизму образована одна из ковалентных связей в соединении или ионе

           А)  ОН – 

           Б)   SO4 2-

      В)   Н3О+

 Г)   СаОН+        

8.   Химическая связь в молекуле  метана и хлориде лития соответственно

А)   водородная и ковалентная полярная

Б)   ковалентная слабополярная и ионная

В)   ионная и ковалентная неполярная

     Г)   ковалентная неполярная и ковалентная полярная

9.   Соединения с ковалентной неполярной и ионной связью являются соответственно

           А)   О3    и   Na3N

           Б)    О2      и   NH3 

           В)    О2      и   НВr

           Г)    О2      и    S8        

10.   В гидроксосоединениях неметаллов связь

           А)   ионная

           Б)    ковалентная полярная

           В)    ковалентная слабополярная

           Г)    ковалентная неполярная

Ответы к зачету

1. г      
2. б
3. б
4. б
5. а
6. б
7. в
8. б
9. а
10. б