Неполярная и полярная ковалентные связи

При помощи химической связи атомы элементов в составе веществ удерживаются друг возле друга. Тип химической связи зависит от распределения в молекуле электронной плотности.

Химическая связь – взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решетке под воздействием электрических сил притяжения между атомами. Атом на внешнем энергетическом уровне способен содержать от одного до восьми электронов. Валентные электроны – электроны предвнешнего, внешнего электронных слоев, участвующие в химической связи. Валентность – свойство атомов элемента образовывать химическую связь.

Ковалентная связь образуется за счет общих электронных пар, возникающих на внешних и предвнешних подуровнях связываемых атомов.

Общая электронная пара осуществляется через обменный или донорно-акцепторный механизм. Обменный механизм образования ковалентной связи – спаривание двух неспа-ренных электронов, принадлежащих различным атомам. Донорно-акцепторный механизм образования ковалетной связи – образование связи за счет пары электронов одного атома (донора) и вакантной орбитали другого атома (акцептора).

Есть две основные разновидности ковалентной связи: неполярная и полярная.

Ковалентная неполярная связь возникает между атомами неметалла одного химического элемента (O2, N2, Cl2) – электронное облако связи, образованное общей парой электронов, распределяется в пространстве симметрично по отношению к ядрам обоих атомов.

Ковалентная полярная связь возникает между атомами различных неметаллов (HCl, CO2, N2O) – электронное облако связи смещается к атому с большей электроотрицательностью.

Чем сильнее перекрываются электронные облака, тем прочнее ковалентная связь.

Электроотрицательность – способность атомов химического элемента оттягивать к себе общие электронные пары, участвующие в образовании химической связи.

Свойства ковалентной связи: 1) энергия; 2) длина; 3) насыщаемость; 4) направленность.

Длина связи – расстояние между ядрами атомов, образующих связь.

Энергия связи – количество энергии, необходимое для разрыва связи.

Насыщаемость – способность атомов образовывать определенное число ковалентных связей.

Направленность ковалентной связи – параметр, определяющий пространственную структуру молекул, их геометрию, форму.

Гибридизация – выравнивание орбиталей по форме и энергии.

Теория химического строения

Теорию химического строения разработал А.М. Бутлеров. Она имеет следующие положения:

1) атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с другими свойствами;

2) соединение атомов происходит соответственно их валентностям;

3) свойства веществ зависят от их химического строения.

Вывод: свойства вещества определяются внутренней структурой – химическим строением.

Вещество допустимо изображать при помощи структурной формулы, если вещество имеет молекулярное строение. Не все вещества имеют молекулярное строение.

Виды строения веществ: молекулярное; атомное; ионное.

Теория химического строения объясняет явление изомерии.

Изомеры – соединения, обладающие одним и тем же качественным и количественным составом, но разными свойствами. Зависимость свойств изомеров и органических соединений от их химического строения объясняется передающимся «взаимным влиянием атомов», в результате чего атомы приобретают различные химические свойства.

Бутлеров предвидел и доказал существование позиционной и скелетной изомерии. В 1863 г. ему удалось впервые получить самый простой третичный спирт – третичный бутиловый спирт, или триметилкарбинол. Он расшифровал его строение и доказал наличие у него изомеров. В 1864 г. Бутлеров предсказал существование двух бутанов и трех пентанов, позднее – изобутилена.

Теория химического строения послужила предпосылкой развития теории химической связи.

В 1916 г. Льюис предположил, что химическая связь возникает при образовании электронной пары, принадлежащей двум атомам.

Из этого предположения была разработана теория ковалентной связи.

В. Коссель предположил, что один атом отдает ион, а другой его принимает при взаимодействии друг с другом. Один атом становится положительно заряженным, а другой – отрицательно заряженным.

Из этих идей развилась современная теория ионной связи.

Ионная связь

Связь, возникшая между атомами с резко выраженными противоположными свойствами (типичным металлом и типичным неметаллом), между которыми возникают силы электростатического притяжения, называется электровалентной, или ионной связью. Соединения, образовавшиеся путем притяжения ионов, называются гетерополярными, или ионными. (FrF – самое типичное ионное соединение, NaCl). Образование таких соединений получается из атомов, резко отличающихся по значению электроотрицательности, в результате перехода электронов от атомов одних элементов к другим. Ионные соединения возникают между элементами I и II групп с элементами главных подгрупп VI и VII групп. Типичные металлы имеют на внешнем энергетическом уровне не более 3-х электронов, которые они отдают, превращаясь в положительно заряженные катионы, а типичные неметаллы, имеющие 6–7 электронов на внешнем валентном уровне, принимают недостающие электроны, превращаясь в отрицательно заряженные катионы, т. е. электронные оболочки соединяющихся элементов превращаются в электронную оболочку (завершенный уровень) благородных газов. Вещества с ионной связью имеют кристаллическую решетку, твердые, являются электролитами, с высокими температурами кипения и плавления, при растворении в воде или плавлении проявляют свойства сильных электролитов. Ионная связь – производная ковалентной связи в результате односторонней поляризации общей электронной пары, переходящей во владение одного из соединяющихся атомов.

Одностороннюю поляризацию осуществляет атом хлора, обладающего ярко выраженными неметаллическими свойствами. Электроны переходят от атома натрия, имеющего типичные металлические свойства, к атому хлора. В результате к атому хлора смещается общее электронное облако. Ионная связь – высшая степень ковалентной неполярной связи. Ко-валентная полярная связь является промежуточной формой между ионной и ковалентной неполярной связью. Природа образования ко-валентной и ионной связи едина, принципиальных отличий не существует. Различие состоит в степени поляризации. Ионной связи характерны ненасыщаемость – каждый ион, взаимодействуя с противоположным во всех направлениях, не компенсирует силовые поля, и ненаправленность – любой ион в любом направлении способен притягивать к себе ион противоположного заряда. В результате этих свойств ионные соединения представляют собой твердые тела с ионной кристаллической решеткой. 100 %-ной ионной связи не существует. Существует степень или доля ионности связи – в соединении СsF ионная связь имеет долю 89 %.

Водородная связь

Водородная связь – взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или нескольких разных молекул при помощи атома водорода: А—Н...В (чертой обозначена ковалентная связь, тремя точками – водородная связь).

Для водородной связи характерно электростатическое притяжение водорода (несущего положительный заряд?+) к атому электроотрицательного элемента, имеющего отрицательный заряд?-. Чаще всего она слабее ковалентной, но сильнее обычного притяжения молекул друг к другу в твердых и жидких веществах.

Водородная связь отличается от межмолекулярных взаимодействий тем, что обладает свойствами направленности и насыщаемости.

Водородная связь считается разновидностью ковалентной химической связи. Описывается при помощи метода молекулярных орбита-лей в виде трехцентровой двухэлектронной связи.

Признак наличия водородной связи – расстояние между атомом водорода и другим атомом, ее образующим, меньше, чем общая сумма радиусов этих атомов.

Чаще встречаются несимметричные водородные связи (расстояние Н...В>А—В), редко – симметричные (HF).

Угол между атомами А—Н...В ~180o.

Водородная связь присутствует во многих химических соединениях. Образуется между наиболее электроотрицательными элементами (фтор, азот, кислород), реже – в некоторых других (хлор, сера).

Наиболее прочные водородные связи имеются в воде, фтороводороде, кислородсодержащих неорганических кислотах, карбоновых кислотах, фенолах, спиртах, аммиаке, аминах.

При кристаллизации водородные связи сохраняются.

Кристаллические решетки водородных связей:

1) цепи (метанол);

2) плоские двухмерные слои (борная кислота);

3) пространственные трехмерные сетки (лед).

Внутримолекулярная водородная связь – водородная связь, объединяющая части одной молекулы.

Межмолекулярная водородная связь – водородная связь, образующаяся между атомом водорода одной молекулы и атомом неметалла другой молекулы.

Многоцентровые связи

Из-за развития метода валентных связей выяснилось, что настоящие свойства молекулы оказываются промежуточными между теми, которые описывает соответствующая формула. Такие молекулы описывают набором из нескольких валентных схем (метод наложения валентных схем). В качестве примера рассматривается молекула метана СН4. В ней отдельные молекулярные орбитали взаимодействуют друг с другом. Это явление называется локализованной многоцентровой ковалентной связью. Эти взаимодействия слабые, поскольку степень перекрывания орбиталей невелика. Но молекулы с многократно перекрывающимися атомными орбиталями, ответственными за образование связей путем обобществления электронов тремя и более атомами, существуют (дибо-ран В2Н6). В этом соединении центральные атомы водорода соединены трехцентровыми связями, образовавшимися в результате перекрывания sp3-гибридных орбиталей двух атомов бора с 1s-атомной орбиталью атома водорода.

С точки зрения метода молекулярных орбиталей считается, что каждый электрон находится в поле всех ядер, но связь не обязательно образована парой электронов (Н2+ – 2 протона и 1 электрон).

Метод молекулярных орбиталей использует представление о молекулярной орбитали, описывая распределение электронной плотности в молекуле.

Молекулярные орбитали – волновые функции электрона в молекуле или другой многоатомной химической частице. Молекулярная орбиталь (МО) занята одним или двумя электронами. В области связывания состояние электрона описывает связывающая молекулярная орбиталь, в области разрыхления – разрыхляющая молекулярная орбиталь. Распределение электронов по молекулярным орбиталям происходит так же как и распределение электронов по атомным орбиталям в изолированном атоме. Молекулярные орбитали формируются при комбинациях атомных орбиталей. Их число, энергия и форма выводятся исходя из числа, энергии и формы орбиталей атомов – элементов молекулы.

Волновые функции, отвечающие молекулярным орбиталям в двухатомной молекуле, представляют в виде суммы и разности волновых функций, атомных орбиталей, умноженных на постоянные коэффициенты:?(АВ) = c1?(A)±c2?(B). Это метод вычисления одноэлектронной волновой функции (молекулярные орбитали в приближении линейной комбинации атомных орбиталей).

Энергии связывающих орбиталей ниже энергии атомных орбиталей. Электроны связывающих молекулярных орбиталей находятся в пространстве между связываемыми атомами.

Энергии разрыхляющих орбиталей выше энергии исходных атомных орбиталей. Заселение разрыхляющих молекулярных орбиталей электронами ослабляет связь.

Контрольные вопросы:

1. Сколько неспаренных электронов содержит атом бора в возбужденном состоянии:

2. Какая электронная формула соответствует иону О-2?

3. Как определяется число протонов в ядре?

4. Чему равно число электронных уровней атома элемента с номером 30?

5. Выберите наименее электроотрицательный элемент:

6. В ядре атома кислорода (16О) число нейтронов:

7. Металл, строение внешнего энергетического уровня которого:...4d105s1:

8. Электронная конфигурация атома рубидия:

9. У какого элемента заполняется предпоследний энергетический уровень электронами?

10. Укажите связь, образованную по донорно-акцепторному механизму:

11. Некоторым элементом образована высшая кислородосодержащая кислота формулой - Н3ЭО4. Укажите конфигурацию внешних электронов атома элемента в возбужденном состоянии:

12. В чем равность 1 л газообразного кислорода и 1 л газообразного водорода при одинаковых температуре и давлении?

13. Электронная формула рения:

14. В ядре атома какого элемента 29 протонов?

15. С помощью главного квантового числа можно охарактеризовать:

 

 

Литература

1. Буринська Н.М., Депутат В.М., Сударєва Г.Ф., Чайченко Н.Н. Хімія: Підручник для 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів (профільний рівень). – К.: Педагогічна думка, 2010. – 352 с., іл., табл.

2. Величко Л.П. Хімія: підручник для 11 класу загальноосвітніх начальних закладаів: Академічний рівень. – К.: Освіта, 2011. – 223 с.

3. Габриелян О.С. Химия. 9, 10, 11 кл. – М., 2000, 2003.

4. Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия для профессий и специальностей социально-экономического и гуманитарного профилей: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

5. Габриелян О.С. Химия. Практикум: учеб. пособие. — М., 2014.

6. Габриелян О.С. и др. Химия. Тесты, задачи и упражнения: учеб. пособие. — М., 2014.

7. Габриелян О.С. Химия. Пособие для подготовки к ЕГЭ: учеб. пособие. — М., 2014.

8. Ерохин Ю. М. Химия: Задачи и упражнения: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

9. Ерохин Ю. М. Сборник тестовых заданий по химии: учеб. пособие для студ. Учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

10. Попель П.П., Крикля Л.С. Хімія: підручник для 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів. – К.: ВЦ «Академія», 2010. – 208 с.: іл.

11. Попель П.П., Крикля Л.С. Хімія: підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладаів (академічний рівень). – К.: ВЦ «Академія, 2011. – 352 с.: іл.

12. Попель П.П., Крикля Л.С, Савченко І.О. Хімія: підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів. – К.: ВЦ «Академія», 2007. – 272 с.

13. Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия для школ и классов гуманитарного профиля. 10, 11 кл. – М., 2001-2002.

14. Химия: электронный учебно-методический комплекс. — М., 2014.

15. Ярошенко О.Г. Хімія: Підручник для 10 класу загальноосвітніх начальних закладів (рівень стандарту, академічний рівень). – К.: Грамота, 2010. – 224 с.: іл.

 

Тема 5: «Вода. Растворы».

 

План:

1. Понятие о растворах.

2. Значение растворов в жизни и практической деятельности человека.

3. Понятие о дисперсных системах.

4. Классификация дисперсных систем по размерам растворенных частичек. Истинные растворы как разновидность диспесрных систем.

5. Эффект Тиндаля.

6. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и лисперсной среды.

7. Процесс растворения.

8. Тепловые эффекты растворения.

Что такое вода? Минерал, не имеющий цвета,
Не имеющий запаха, формы, но ты оглянись –
Это главное таинство, главное чудо Планеты,
Это главный исток, из которого вылилась Жизнь.

Без воды на Планете не мыслимо что-то живое
И вода вездесуща – и в недрах, и по или над землей,
И планету Земля, во Вселенной зерно голубое,
Было б много точнее назвать не Землёй, а Водой.

Океаны и реки, озёра и вечные льдины,
Сок деревьев и трав, кровь живущих зверей и людей –
Это только вода, это Жизни самой сердцевина,
Это плазма Планеты, а может Галактики всей.

Мы не ценим её, мы, как дети с игрушкой играем,
С этим главным сокровищем, таинством Жизни, водой,
Загрязняем её, отравляем её, убиваем…
Ну, а если когда-то игра обернётся бедой?

Вода на Земле 2/3 земного шара покрыто водой. Общий запас ее составляет 1,5 км3. Если разделить ее поровну между всеми жителями Земли, то каждому достанется по Ладожскому озеру. Много это или мало? Так мы богачи или все-таки бедняки?Попробуем ответить на этот вопрос.Территория большая, но «доступной» воды мало.Попробуем вспомнить, в каком виде вода существует на Земле? Жидкая, твердая, газообразная. А в каком природном виде она может существовать? В виде родников, озер, океанов, морей, рек, атмосферной влаги, ледников. Попробуем распределить эти формы по количественному содержанию.
Вода – дефицитное вещество, хотя на Земле это самое распространенное вещество.

2. Что из себя по составу представляет природная вода?
Это смесь разных веществ, растворенных в воде. К какому типу смесей она относится? Однородная. Как по-другому мы чаще всего ее называем?
Раствор. Да, мы часто произносим термин «раствор». А что он означает?
Раствор – это однородная смесь веществ, состоящая из нескольких компонентов. Рассмотрим классификацию растворов.По агрегатном у состоянию они делятся на твердые, жидкие и газообразные.Твердые – сплавы металлов.Газообразные – воздух.Жидких, пожалуй, больше всего. Мы остановимся на них.Вы сами сказали, что любой раствор, особенно жидкий, как правило, состоит из двух компонентов. Назовите их. Растворитель и растворимое вещество. Мы часто говорим о водных растворах. Чем они отличаются от всех остальных растворов? В них растворителем является вода.
Вернемся к изначальному вопросу: почему в природе встречается не чистая вода, смесь веществ?

В ода – хороший растворитель.

Классификация веществ по их растворимости в воде.

• Хорошо растворимые - если при комнатной температуре в 100 г воды растворяется больше 1 г этого вещества.
• Малорастворимые – если при таких условиях растворяется меньше 1 г вещества в 100 г воды.
• Практически нерастворимые вещества – такие вещества, растворимость которых меньше 0,01 г в 100 г воды.

Рассмотрите таблицу растворимости кислот, оснований и солей в воде, подберите по два примера для каждой из групп веществ.
Виды растворов
Насыщенным называют такой раствор, в котором при данной температуре вещество больше не растворяется.
Ненасыщенным называют такой раствор, в котором при данной температуре находится меньше растворяемого вещества, чем в его насыщенном растворе.
Пересыщенным называют такой раствор, в котором при данной температуре находится в растворенном состоянии больше вещества, чем в его насыщенном растворе при тех же условиях.

3. Что из себя представляет процесс растворения веществ в воде?
Это химический или физический процесс?
К какому типу, на ваш взгляд, относится процесс растворения?
Физический, так как происходит дробление кристалла и диффузия образовавшихся частиц между молекулами воды.
Как мы можем определить, к какому типу относится то или иное явление?
По признакам (выпадение осадка, изменение окраски, выделение газа, изменение температуры).
Необходимо проверить.
Вывод: растворение - это химический процесс. Взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества.
Растворение - и физический, и химический процесс.

На все ли вещества вода одинаково хорошо действует в качестве растворителя?
Нет. Ведь есть нерастворимые и мало растворимые в воде вещества.
Кстати, эта классификация условна, так как совершено нерастворимых веществ не бывает. Например, если опустить в воду серебряную ложку, постепенно частички серебра будут переходить в раствор. Воду, содержащую ионы серебра, называют «святой». Почему?
Потому что она обладает бактерицидными свойствами. В ней гибнут микроорганизмы (бактерии) до 650 видов.
Есть ли святые источники на территории г. Чернушка?
Около Свято-Никольского женского монастыря в с. Николаевское Чернушинского района находится Святой Источник. Первые документальные свидетельства об этом Роднике известны с 18 века. Именно с тех дальних времен, люди, жившие на этих землях, пили чистую питьевую воду именно из этого Источника.
Санатории «Танып» в Аскинском районе на северо-востоке Республики Башкортостан близ деревни Новые Казанчи. На территории санатория расположен почитаемый святой источник Святой ключ. Предание о нем гласит, что в конце 18 века один паломник - Хажи, возвращавшегося из хаджа, и Хажия замерзли от лютого мороза. Ранней весной их обнаружили местные жители Новых Казанчей и похоронили их восточнее от места, где выбивает, из недр земных, Святой ключ. После придания паломников земле из земли пробился родник. Пожилые говорили: «Всевышний омыл водой мучеников веры». На месте где пробил ключ, выросли три березы.
Лечебные свойства источника, названного народом «Святой ключ» (Изге Чишм?), выявились случайно проезжавшим мимо русским землемером. Он умылся ключевой водой и заметил, что вода благотворно повлияла на его глаза, попробовав на вкус, он заметил, что вода необычна. Он привез с собой сестру, которая с рождения была слепа, с первого раза глаза девушки прозрели. Молва о чудодейственном роднике разнеслась на всю округу. Слепые, омывающие здесь глаза, прозревали, порезы раненных в боях джигитов заживали быстрее, а пьющие эту воду люди очень долго не старели, и даже в преклонном возрасте отличались крепким здоровьем и подвижностью. Много людей начало посещать данный ключ, омываться благословенной водой.
В середине прошлого века к ключу начали приходить верующие - православные христиане, где проводили Таинство крещения. Три березы выросшие возле ключа, для христиан символизировали «Святую Троицу» и место стало считаться святым.
В 50-х годах прошлого века очевидцы рассказывали о том, что оберегала святой ключ большая чёрная змея, метров в три она была. Появлялась она тогда когда, человек с плохими намерениями шедший на ключ обязательно лицезрел её и в ужасе и панике покидал то место. Говорят, много раз святой ключ заваливали землей, а он все же находил дорогу и своей целебной прохладой утолял жажду приходящих к нему людей.

Растворимость – это способность вещества растворяться в воде или другом растворителе.
Как вы думаете, от каких факторов зависит растворимость веществ в воде?
1. От природы. Полярные молекулы веществ способны растворяться в полярном растворителе (в воде).
2. Как влияет температура на изменение растворимости?
Анализ графиков.
При увеличении температуры жидкости и твердые вещества растворяются лучше, а газы – хуже.
Как этот факт сказывается на жизни биологических (природных) объектов?
С увеличением температуры в водоеме количество растворенного в ней кислорода уменьшается, рыба может погибнуть. Самый выносливый карась, карп.
3. При увеличении давления, объем уменьшается и молекулы могут чаще сталкиваться друг с другом, поэтому растворение увеличивается.

Какое значение имеют водные растворы для организма человека?
Все вещества поступают в клетки в растворенном виде и выводятся яды из клеток так же в виде растворов.
Вода является участников большинства химических реакций, протекающих в нашем организме.
Наш организм на 70% состоит из воды.
Рассчитайте массу воды в своем организме.

Общий вывод
Вода – ценное вещество, необходимое человеку, животным и растительным организмам для существования.
Доступной воды на Земле мало. Поэтому к ней нужно относиться бережно.

Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.

По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов).
Размеры частиц в истинных растворах - менее 10^-9 м (порядка размеров молекул).

Ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные растворы

Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г H₂O, то при 20⁰C растворится только 36 г соли).
Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества.

Поместив в 100 г воды при 20⁰C меньше 36 г NaCl мы получим ненасыщенный раствор.
При нагревании смеси соли с водой до 100⁰C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20⁰C, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.

Ненасыщенный раствор - раствор, содержащий меньше вещества, чем в насыщенном.

Перенасыщенный раствор - раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном.