Что общего в строении молекул этих веществ в чем различие

Химическая связь

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).

Химическая связь и строение вещества

Все системы стремятся к равновесию и к уменьшению свободной энергии — так гласит один из постулатов химической термодинамики. Атомы, взаимодействующие в молекуле вещества, тоже подчиняются этому закону. Они стремятся образовать устойчивую конфигурацию — 8-электронную или 2-электронную внешнюю оболочку. Этот процесс взаимодействия называется химической связью, благодаря ему получаются молекулы и молекулярные соединения.

Как понятно из определения химической связи, при взаимодействии двух атомов один из них может притянуть к себе внешние электроны другого. Эта способность называется электроотрицательностью (ЭО). Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) при образовании химической связи с другим атомом может вызвать смещение к себе общей электронной пары.

Механизм образования химической связи

Существует два механизма взаимодействия атомов:

обменный — предполагает выделение по одному внешнему электрону от каждого атома и соединение их в общую пару;

донорно-акцепторный — происходит, когда один атом (донор) выделяет два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.

Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем выше ЭО атомов, т. е. их способность притягивать электроны, тем сильнее и этот энергетический всплеск.

Также на прочность влияют следующие показатели:

Длина связи — расстояние между ядрами атомов. С уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.

Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем больше это число, тем выше энергия и, соответственно, прочность связи.

На примере химической связи в молекуле водорода посмотрим, как меняется энергия системы при сокращении расстояния между ядрами атомов. По мере сближения ядер электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в итоге появляется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через области перекрывания смещаются от одного атома в сторону другого, возникают общие электронные пары. Все это сопровождается нарастающим выделением энергии. Сближение происходит до тех пор, пока силу притяжения не компенсирует сила отталкивания одноименных зарядов.

Основные типы химических связей

Различают четыре вида связей в химии: ковалентную, ионную, металлическую и водородную. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно имеет место наложение нескольких типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH₄)₃PO₄присутствует одновременно ионная связь между ионами и ковалентная связь внутри ионов.

Также отметим, что при образовании кристалла от типа связи между частицами зависит, какой будет кристаллическая решетка. Если это ковалентная связь — образуется атомная решетка, если водородная — молекулярная решетка, а если ионная или металлическая — соответственно, будет ионная или металлическая решетка. Таком образом, влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь определяет и физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и т. д.

Основные характеристики химической связи:

насыщенность — ограничение по количеству образуемых связей из-за конечного числа неспаренных электронов;

полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;

направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг к другу.

Ковалентная связь

Как уже говорилось выше, этот тип связи имеет два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. При обменном механизме объединяются в пару свободные электроны двух атомов, а при донорно-акцепторном — пара электронов одного из атомов смещается к другому на его свободную орбиталь.

Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если у двух атомов она одинакова, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большую ЭО — к нему сместится общая электронная пара и получится полярная химическая связь.

Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах простых веществ, неметаллов с одинаковой ЭО: Cl₂, O₂, N₂, F₂ и других.

Посмотрим на схему образования этой химической связи. У атомов водорода есть по одному внешнему электрону, которые и образуют общую пару.

Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH₃,HBr, H₂O, H₂S и других.

Посмотрим схему такой связи в молекуле хлороводорода. У водорода имеется один свободный электрон, а у хлора — семь. Таким образом, всего есть два неспаренных электрона, которые соединяются в общую пару. Поскольку в данном случае ЭО выше у хлора, эта пара смещается к нему.

Другой пример — молекула сероводорода H₂S. В данном случае мы видим, что каждый атом водорода имеет по одной химической связи, в то время как атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении, поэтому валентность серы в сероводороде — II.

Число связей, которые могут быть у атома в молекуле вещества, называется валентностью.

Характеристики ковалентной связи:

Ионная связь

Как понятно из названия, данный тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Он возможен между веществами с большой разницей ЭО — металлом и неметаллом. Механизм таков: один из атомов отдает свои электроны другому атому и заряжается положительно. Второй атом принимает электроны на свободную орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.

Разноименно заряженные ионы стремятся друг к другу за счет кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во все стороны. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых заряды ионов чередуются. У каждого иона есть определенное количество ближайших соседей — оно называется координационным числом.

Обычно ионная связь появляется между атомами металла и неметалла в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже схема ионной связи в молекуле хлорида натрия.

Характеристики ионной связи:

не имеет направленности.

Ковалентная и ионная связь в целом похожи, и одну из них можно рассматривать, как крайнее выражение другой. Но все же между ними есть существенная разница. Сравним эти виды химических связей в таблице.

Характеризуется появлением электронных пар, принадлежащих обоим атомам.

Характеризуется появлением и взаимным притяжением ионов.

Общая пара электронов испытывает притяжение со стороны обоих ядер атомов.

Ионы с противоположными зарядами подвержены кулоновскому притяжению.

Имеет направленность и насыщенность.

Ненасыщенна и не имеет направленности.

Количество связей, образуемых атомом, называется валентностью.

Количество ближайших соседей атома называется координационным числом.

Образуется между неметаллами с одинаковой или не сильно отличающейся ЭО.

Образуется между металлами и неметаллами — веществами со значимо разной ЭО.

Металлическая связь

Отличительная особенность металлов в том, что их атомы имеют достаточно большие радиусы и легко отдают свои внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В итоге получается кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а вокруг беспорядочно перемещаются электроны проводимости, образуя «электронное облако» или «электронный газ».

Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно соединяясь с ними и снова отрываясь в свободное плавание. Этот механизм по своей природе имеет сходство с ковалентной связью, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.

Наличие такого «электронного облака», которое может прийти в направленное движение, обусловливает электропроводность металлов. Другие их качества — пластичность и ковкость, объясняются тем, что ионы в кристаллической решетке легко смещаются. Поэтому металл при ударном воздействии способен растягиваться, но не разрушаться.

Характеристики металлической связи:

Металлическая связь присуща как простым веществам — таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам — например, AlCr₂, CuAl₁₁Fe₄, Ca₂Cu и другим.

Схема металлической связи:

M — металл,

n — число свободных внешних электронов.

К примеру, у железа в чистом виде на внешнем уровне есть два электрона, поэтому его схема металлической связи выглядит так:

Обобщим все полученные знания. Таблица ниже описывает кратко химические связи и строение вещества.

Водородная связь

Данный тип связи в химии стоит отдельно, поскольку он может быть как внутри молекулы, так и между молекулами. Как правило, у неорганических веществ эта связь происходит между молекулами.

Объясним подробнее механизм этого вида химической связи. Есть молекулы А и В, содержащие водород. При этом в молекуле А есть электроотрицательные атомы, а в молекуле В водород имеет ковалентную полярную связь с другими электроотрицательными атомами. В этом случае между атомом водорода в молекуле В и электроотрицательным атомом в молекуле А образуется водородная связь.

Такое взаимодействие носит донорно-акцепторный характер. Донором электронов в данном случае выступают электроотрицательные элементы, а акцептором — водород.

Графически водородная связь обозначается тремя точками. Ниже приведена схема такого взаимодействия на примере молекул воды.

Характеристики водородной связи:

Кратко о химических связях

Итак, самое главное. Химической связью называют взаимодействие атомов, причиной которого является стремление системы приобрести устойчивое состояние. Во время взаимодействия свободные внешние электроны атомов объединяются в пары либо внешний электрон одного атома переходит к другому.

Образование химической связи сопровождается выделением энергии. Эта энергия растет с увеличением количества образованных электронных пар и с сокращением расстояния между ядрами атомов.

Основные виды химических связей: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая и водородная. В отличие от всех остальных водородная ближе к молекулярным связям, поскольку может быть как внутри молекулы, так и между разными молекулами.

Как определить тип химической связи:

Ковалентная полярная связь образуется в молекулах неметаллов между атомами со сходной ЭО.

Ковалентная неполярная связь имеет место между атомами с разной ЭО.

Ионная связь ведет к образованию и взаимному притяжению ионов. Она происходит между атомами металла и неметалла.

Металлическая связь бывает только между атомами металлов. Это взаимодействие положительных ионов в кристаллической решетке и свободных отрицательных электронов. Масса рассеянных по всему объему свободных электронов представляет собой «электронное облако».

Водородная связь появляется при условии, что есть атом с высокой ЭО и атом водорода, связанный с другой электроотрицательной частицей ковалентной связью.

Химическая связь и строение молекулы: типом химической связи определяется кристаллическая решетка вещества: ионная, металлическая, атомная или молекулярная.

Определить тип химической связи в 8 классе поможет таблица.

Источник

Различие в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

Урок 7. Физика 7 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Различие в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов»

Различия в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

«Свойства тел не случайны,

они зависят от свойств с

оставляющих их корпускул»

В данной теме будет продолжен разговор об агрегатных состояниях вещества. Ранее речь шла о трёх агрегатных состояниях вещества – это твердое состояние, жидкое, и газообразное. Было выяснено, что твердые тела сохраняют и объём и форму. Жидкости легко меняют форму, но при этом сохраняют объём. Газы не имеют собственной формы и занимают весь предоставленный им объём. Например, вода на планете Земля встречается во всех трех состояниях. При этом и лёд, и вода, и водяной пар состоят из абсолютно одинаковых молекул. Изменение агрегатного состояния не влечет за собой изменение самих молекул.

Агрегатные состояния характеризуются расположением молекул, движением молекул и взаимодействием молекул. Твёрдые тела сохраняют свою форму и объём. Поэтому, молекулы в твердых телах расположены в строгом порядке и жестко связаны друг с другом. Из-за значительного взаимного притяжения и отталкивания, взаимное расположение молекул твердого тела достаточно сложно изменить. Тем не менее, беспорядочное движение все равно присутствует в твердых телах. Молекулы в твердых телах совершают небольшие колебания, т.е. молекулы двигаются из стороны в сторону, но тут же встречают отталкивание со стороны соседних молекул и возвращаются на свои места.

В жидкостях нет никакого определенного порядка расположения. Тем не менее, молекулы жидкости находятся очень близко (практически вплотную) друг к другу, поэтому, жидкости практически несжимаемы. Молекулы жидкости так же, как и молекулы твердых тел, колеблются. Но, помимо этого, они могут совершать перескоки, меняться местами, что, легко может привести к изменению формы. Именно этим и объясняется текучесть жидкостей.

В газах, молекулы находятся друг от друга на расстояниях во много раз превышающих размеры самих молекул. Поэтому, взаимное притяжение и взаимное отталкивание между молекулами газов очень незначительны. Это и приводит к тому, что газы не имеют формы и достаточно легко сжимаются. Поскольку молекулы практически не испытывают ни притяжения, ни отталкивания, они могут перемещаться с очень большими скоростями (по несколько сотен километров в час). Таким образом, в газах нет никакого порядка в расположении молекул.

Для наглядности можно провести некоторые аналогии. В твердых телах молекулы расположены в соответствии со строгим порядком и только колеблются. Это можно сравнить с тем, как ученики сидят на уроке. Ученики расположены в строгом порядке относительно друг друга (то есть сидят на определенных местах по рядам). При этом сидя на своём месте, ученик может совершать некоторые движения.

Аналогией жидкости может послужить метро в час-пик. Люди находятся очень близко друг к другу, но, тем не менее, каждый человек может переместиться из одного места в другое (точно так же, как молекула жидкости может перескочить из одного положения равновесия в другое).

Движение газа можно сравнить с движением футболистов. Они бегают по всему футбольному полю с большими скоростями и находятся на большом расстоянии друг от друга.

Известно, если нагревать лед, то он со временем, превратится в воду. Если продолжить нагревать воду, то она закипит и превратится в водяной пар. При каждом изменении агрегатного состояния будет изменяться характер движения и взаимодействия молекул. Рассмотрим данные процессы. Во льду молекулы жестко связаны и только колеблются. Когда лед понемногу начинает плавиться, происходит нарушение порядка. Некоторые молекулы уже способны перескакивать со своих мест на другие. В конце концов, порядок совсем нарушится, и молекулы то и дело будут перескакивать с места на место, но все еще находится вплотную друг к другу. По мере нагревания воды, скорости молекул будут увеличиваться. Некоторые молекулы наберут такую скорость, что смогут оторваться от поверхности воды, таким образом, покинув её. Такие молекулы уже будут находиться в газообразном состоянии. В итоге, вся вода выкипит, превратившись в пар. Молекулы теперь уже будут двигаться совершенно беспорядочно, очень слабо взаимодействуя друг с другом.

Данный процесс можно сравнить со школьным процессом. Ученики стоят на линейке. Все ученики стоят в определенном порядке, но никуда не перемещаются (это напоминает поведение молекул льда). Когда линейка заканчивается, ученики начинают расходится. Происходит нарушение порядка, и ученики уже не стоят ровными рядами, а образуют толпу, в которой они могут меняться местами (это уже похоже на поведение молекул жидкости). Далее ученики выбегают в коридор или на улицу, уже находясь на существенном расстоянии друг от друга, и перестают толкаться (то есть, не взаимодействуете с другими, а двигаетесь сами по себе). Это напоминает поведение молекул газа.

Источник