Пособие по неорганической химии

Природа и типы химической связи

Химическая связь возникает при взаимодействии частиц и определяется как взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в более сложные системы, такие как молекулы, радикалы, кристаллы и др.

Природа сил химической связи электростатическая. При образовании химической связи общая энергия системы, составленной из многоатомной структуры, меньше энергии составных частей. Поэтому условием образования химической связи является понижение системы энергии. В образовании химической связи между атомами участвуют валентные электроны. В зависимости от способа образования устойчивых структур различают основные типы химической связи: ковалентную, ионную, металлическую и водородную.

Ионная связь

Ионная связь – это электростатическое притяжение между ионами, образованными путем практически полного смещения электронной пары к одному из них. Эта связь образуется, если разность электроотрицательностей атомов велика (больше 1,7 по шкале Полинга).

Электроотрицательность характеризует способность атомов притягивать к себе валентные электроны. Значения электроотрицательностей атомов элементов также подчиняются периодическому закону.

Шкала Полинга – это шкала относительных атомных электроотрицательностей, т.е. значения электро-отрицательностей элементов приведены по отношению к электроотрицательности фтора, которая принята равной 4,0.

Большинство бинарных соединений, содержащих атомы металлов, являются ионными или гетерополярными. Типичный пример ионной связи – образование хлорида натрия NaCl:

Na – e– = Na+

Cl + e– = Cl-

Как видно из электронных формул атомов натрия (11Na 1s22s22p63s1) и хлора (17Cl 1s22s22p63s23p5) – это атомы с незавершенными внешними электронными уровнями. Для завершения внешнего уровня атому натрия легче отдать 1 электрон, чем присоединить 7. Атому хлора легче присоединить 1 электрон, чем отдать 7. В результате образуются два иона Na+ и Cl-, между которыми возникают силы электростатического притяжения, после чего образуется соединение NaCl.

Ионные соединения при обычных условиях – твердые вещества. Они имеют высокую температуру кипения и плавления. В расплавленном состоянии обладают электропроводностью, в воде диссоциируют на ионы.

Ковалентная связь

Химическая связь, осуществляемая электронными парами, называется атомной или ковалентной.

Ковалентная связь возникает преимущественно между атомами различных неметаллов и одинаковыми атомами.

Ковалентно построенные соединения могут быть как простые (H2, O2, Ne, галогены – F2, Cl2, Br2,), так и сложные (HCL, CO2, CH4).

Электроны, которые в виде общей пары связывают атомы друг с другом в молекуле, называются спаренными электронами.

Пример:

Cl2 → Cl ⁚ Cl

Различают следующие разновидности ковалентной связи: неполярную, полярную и донорно-акцепторную.

В случае неполярной ковалентной связи электронная пара одинаково принадлежит обоим соединяющимся атомам (простые вещества H2, O2, N2, F2, Cl2) – электроотрицательность у атомов этих молекул одинакова

H2 → H ⁚ H;

N2 → ⁚N ⁚⁚⁚ N⁚

Составляя электронные формулы веществ, следует помнить, что каждая общая электронная пара – это условное изображение повышенной электронной плотности, возникающей в результате перекрывания соответствующих электронных облаков атомов.

Эти вещества имеют низкую температуру плавления и кипения, при обычных условиях эти вещества газообразные и легколетучие (С12 – газ, температура кипения – 34°C, плавления – 101 °C).

В случае полярной ковалентной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.

Пример типичной полярной связи – молекула хлористого водорода:

Н· + ·С1→ Н⁚С1

Молекулы с несимметрическим распределением электронов называются полярными. Это наиболее распространенный тип химической связи, который встречается как в неорганических, так и в органических соединениях (HCl, HBr, NH3, H2S, CH4 и др.).

Донорно-акцепторная связь – это вид ковалентной связи, которая осуществляется за счет пары электронов, принадлежащих одному из соединяющихся атомов. Атом, который отдает свою пару электронов для образования связи, называется донором; атом, который использует эту пару электронов, называется акцептором.

NH3 + H+ = NH4+

В данном соединении азот, имеющий свободную электронную пару, является донором, а ион водорода – акцептором, при этом заряд иона водорода становится общим (он рассредоточен между всеми атомами), а неподеленная пара электронов, принадлежащая азоту, становится общей с водородом.

Следует заметить, что это не особый вид связи, а лишь иной механизм образования ковалентной связи.

Металлическая связь

Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называется металлической связью.

Атомы металлов в наружном электронном слое имеют мало валентных электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. Электроны в металлах свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами металла, и принадлежат всем его атомам.

Химическая связь в металлических кристаллах сильно делокализована, т.е. электроны, осуществляющие связь, обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему куску металла, в целом электронейтрального.

Металлическая связь обусловливает высокую температуру плавления и кипения, тепло- и электропроводность, пластичность, способность отражению света и др.

Водородная связь

Водородная связь – это разновидность межмолекулярного и внутримолекулярного взаимодействия. Она осуществляется между поляризованными атомами водорода и отрицательно поляризованным атомом другой молекулы. Примерами существования межмолекулярной водородной связи являются ассоциированные молекулы воды, фтористого водорода, спиртов, карбоновых кислот.

Внутримолекулярная связь возникает в молекулах органических веществ – белков, углеводов и др.

Межмолекулярная водородная связь приводит к ассоциации молекул одного или разных соединений. В молекуле воды связь Н…О имеет полярный характер, причем на атоме водорода имеется избыточный положительный заряд, а на атоме кислорода – отрицательный. Это способствует взаимодействию атома водорода одной молекулы воды и атома кислорода другой молекулы, что и приводит к возникновению водородной связи между молекулами.

Водородная связь оказывает влияние на свойства многих веществ. Так, благодаря водородной связи, фтороводород в обычных условиях существует в жидком состоянии. Наличием водородных связей объясняется более высокая температура кипения воды по сравнению с водородными соединениями элементов подгруппы кислорода (H2S, H2Se, H2Te).

Энергия водородной связи во много раз меньше энергии обычных ковалентных связей. Водородная связь легко разрушается при нагревании и кипении вещества.

Классификация химических реакций

Сущность химических реакций состоит в превращении одних веществ в другие.

I. По признаку соотношения числа исходных веществ и продуктов химические реакции можно разделить на реакции разложения, соединения, замещения и обмена.

1. Реакциями разложения называются такие реакции, в которых из одного вещества получаются два или более веществ – например, разложение нитрата калия:

2 KNO3 = 2KNO2 + O2

или карбоната кальция:

СаСО3 = СаО + СО2

2. Реакциями соединения называются такие реакции, в результате которых из двух или более веществ образуется новое вещество:

СаО + СО2 = СаСО3

2Cu + O2 = 2CuO

2 Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Fe + S = FeS

3. Реакциями замещения называются реакции, протекающие между простыми и сложными веществами, при которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе:

Fe0 + CuCl2 = Cu0 + Fe+Cl2;

2KJ + C12 = 2KC1 + J2.

4. Реакции обмена – это реакции, в результате которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями, образуя два новых вещества. При этом степень окисления элементов сохраняется:

Al2(SO4)3 + 3BaCl2 = 2AlCl3 + 3BaSO4 ↓;

FeSO4 + BaC12 = BaSO4↓ + FeC12;

AlC13 + 3AgNO3 = 3AgC1↓ + Al(NO3)3

II. По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реакции делятся на протекающие без изменения степени окисления атомов и с изменением степеней окисления – окислительно-восстановительные.

Реакции, протекающие без изменения степени окисления.

Пример:

В первой химической реакции степень окисления кальция, углерода и кислорода остались неизменными. Во второй – степень окисления меди не меняется.

Реакции окислительно-восстановительные – это реакции, при которых происходит обмен электронами между реагирующими компонентами (атомами, ионами, молекулами), в результате чего происходит изменение степеней окисления атомов. Процессы окисления и восстановления взаимосвязаны – не бывает окисления без восстановления.

Пример:

Здесь железо – восстановитель, который окисляется, а хлор – окислитель, который восстанавливается.

III. По признаку поглощения или выделения тепловой энергии в ходе химических превращений реакции делятся на экзотермические и эндотермические. Такие реакции характеризуются тепловым эффектом.

Тепловым эффектом называется количество теплоты, которое выделяется или поглощается в химической реакции. Тепловой эффект химических реакций обозначается буквой латинского алфавита Q и изменяется в кДж.

1. Экзотермические реакции – это реакции, протекающие с выделением теплоты или с положительным тепловым эффектом. К экзотермическим реакциям относятся большинство реакций соединения, горения, обмена и некоторые реакции разложения.

Пример:

С + О2 = СО2 + 402кДж;

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + 892 кДж.

2. Эндотермичекские реакции – это реакции, протекающие с поглощением1 теплоты из окружающей среды. Иначе эти реакции можно назвать реакциями с отрицательным тепловым эффектом.

Пример:

N2 + O2 = 2NO – 180,8 кДж.

Образование оксида азота (II) из азота и кислорода протекает с поглощением тепла и поэтому осуществимо только при высокой температуре.

IV. По признаку изменения направления протекания реакции делятся на обратимые и необратимые.

Обратимые химические реакции одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях, при этом знак равенства в уравнениях заменяется двумя стрелками, направленными в противоположные стороны.

Пример:

1. Образование аммиака из водорода и кислорода

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + 92,4 кДж

2. Образование серной кислоты

SO2 + H2O ⇄ H2SO4

Необратимые реакции протекают до полного превращения реагирующих веществ в продукты реакции.

Пример:

BaCl2 + H2SO4 = 2HCl + BaSO4 ↓

AgNO3 +HCl = HNO3 + AgCl ↓

V. По наличию фаз в реакционной зоне реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

Фазой называется однородная по составу и свойствам часть системы, отделенная от других фаз границей раздела.

Гомогенные (гомо – одинаковый) – это реакции, где вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии (жидком или газообразном).

Пример:

CH4(газ) + Cl2(газ)