Хімія. 9 клас. Березан

§ 2. Хімічний зв'язок і будова речовини

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

• повторите, що таке хімічний зв'язок, які є види хімічних зв'язків;
• узагальните знання про те, як утворюється ковалентний, йонний зв'язок, які сполуки належать до йонних;
• пригадаєте основні типи кристалічних ґраток.

У природі інертні гази не утворюють сполук, оскільки їхні атоми мають на зовнішній оболонці 8 електронів. Така завершена зовнішня 8-електронна¹ оболонка (октет) для атома є енергетично найбільш вигідною і стійкою. Усі інші атоми зазвичай вступають один з одним у взаємодію — утворюють хімічні зв'язки.

¹ Для елементів першого періоду — Гідрогену і Гелію — 2-електронна.

Хімічний зв’язок — це взаємодія між атомами, завдяки якій вони утримуються разом у молекулі (або кристалі).

Залежно від своєї природи (електронегативності) атоми або приєднують (чи віддають) електрони, або усуспільнюють їх. Пригадаймо зміст поняття «електронегативність».

Електронегативність — це властивість атома елемента під час утворення хімічного зв'язку відтягувати на себе електронну пару.

В елементів одного періоду вона зростає зліва направо. Найбільш електронегативним у кожному періоді є елемент із групи галогенів. В елементів головних підгруп електронегативність згори донизу зменшується. Отже, Флуор є найбільш електронегативним елементом, а Францій — найменш електронегативним.

Електронегативність деяких елементів (за Полінгом)

Ковалентний зв’язок

Ковалентний зв’язок — це зв'язок між атомами, зумовлений наявністю спільних пар електронів.

Утворення спільних ковалентних пар розглядають як перекриття електронних орбіталей, у яких є неспарені електрони з протилежними спінами. Зв'язок, здійснений за допомогою однієї електронної пари, називають одинарним (простим). Якщо зв'язок утворюється за допомогою двох чи трьох електронних пар, то його називають кратним, відповідно подвійним або потрійним.

Якщо зв'язок утворено атомами з однаковою електронегативністю, то спільна електронна пара (ділянка перекривання електронних орбіталей) перебуває на однаковій відстані від ядер атомів. Такий ковалентний зв'язок називають неполярним. Неполярними є зв'язки в молекулах простих речовин О₂, N₂, F₂, І₂, Сl₂, Н₂.

Рис. 2.1. Утворення молекули водню H₂

Рис. 2.2. Утворення молекули хлору Cl₂

Полярний ковалентний зв'язок утворюють атоми з різною електронегативністю, коли різниця їх електронегативностей менша від 2,1 (за Полінгом). Область перекривання електронних орбіталей зміщується в бік атома з більшою електронегативністю: Н₂О, Н₂О₂, НСl, NH₃, H₂S, РСl₃, OF₂.

Рис. 2.3. Утворення молекули гідроген хлориду НСl

Оскільки Хлор більш електронегативний, спільна електронна пара в молекулі гідроген хлориду зміщується в його бік. В атома Хлору виникає частковий негативний заряд δ- (дельта мінус), а в атома Гідрогену — частковий позитивний заряд δ+ (дельта плюс). Це також можна зобразити схематично: Н → Сl або

Полярна молекула є електричним диполем.

Диполь — це електронейтральна частинка, у якій центри негативного й позитивного зарядів не збігаються у просторі.

Ковалентний зв'язок притаманний сполукам, до складу яких входять неметалічні елементи. Різниця електронегативностей елементів у ковалентних сполуках є меншою за 2,1. Що більша різниця електронегативностей елементів, то полярніші зв'язки між атомами. Порівняймо полярність зв'язків N-H у молекулі амоніаку NH₃ та С-Н у молекулі метану СН₄.

Різниця електронегативностей у зв'язку N-H становить: 3,0 - 2,1 = 0,9.

Різниця електронегативностей у зв'язку С-Н становить: 2,5 - 2,1 = 0,4.

Отже, зв'язки N-H в молекулі амоніаку є більш полярними, ніж зв'язки С-Н у молекулі метану.

Йонний зв’язок

Йонний зв’язок — це хімічний зв'язок, зумовлений електростатичним притяганням протилежно заряджених йонів.

Під час утворення йонного зв'язку:

• 1) атоми металічних елементів втрачають валентні електрони і перетворюються на позитивно заряджені йони (катіони);
• 2) атоми неметалічних елементів приєднують електрони й утворюють негативно заряджені йони (аніони).

Наприклад, між Натрієм і Хлором наявний йонний зв'язок (різниця електронегативностей дорівнює 2,1). Атом Натрію втрачає один електрон і перетворюється на позитивно заряджений йон Na⁺, натомість атом Хлору приєднує цей електрон і перетворюється на негативно заряджений йон Сl^-. Записують це так:

Тут «е^-» означає електрон та його від'ємний заряд. Йони Na⁺ і Сl^- притягуються один до одного як різнойменно заряджені частинки:

Na⁺ + Сl^- → NaCl.

Йонні сполуки — це кристалічні речовини, утворені типовими металічними і неметалічними елементами, коли різниця їх електронегативностей більша або дорівнює 2,1 (за Полінгом). До йонних сполук належить низка оксидів, утворених металічними елементами, а також луги, сполуки лужних елементів з галогенами чи Сульфуром. Наприклад: CsF, КСl, NaF, К₂О, СаО, СаСl₂.

Різниця електронегативностей Натрію та Оксигену становить: 3,5 - 0,9 = 2,6. Отже, сполука Na₂О належить до йонних.

Формула йонної сполуки вказує на відношення в ній кількості катіонів до кількості аніонів. Наприклад, формула йонної сполуки СаСl₂ показує:

N(Ca²⁺) : N(Cl^-) = 1 : 2.

Кристалічні ґратки

Кристалічний стан характеризується високим ступенем впорядкованості в розміщенні структурних частинок (атомів, молекул, йонів), які утворюють кристалічні ґратки. Є кілька типів кристалічних ґраток.

У вузлах кристала з молекулярними ґратками розміщуються молекули (полярні або неполярні). У вузлах кристала з атомними ґратками розміщуються атоми, а з йонними — позитивно і негативно заряджені йони.

Рис. 2.4. Кристалічні ґратки: а) кухонної солі (йонні); б) йоду (молекулярні); в) алмазу (атомні)

Речовини з йонними ґратками нелеткі, тугоплавкі, тверді, крихкі, їх розчини проводять струм. Речовини з атомними ґратками мають високу твердість і високі температури плавлення, переважно хімічно інертні; частина з них є напівпровідниками. Речовини з молекулярними ґратками мають незначну твердість, низькі температури плавлення та кипіння, є леткими. Отож простежується певний зв’язок між типом кристалічних ґраток і фізичними властивостями речовини.

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

Йонний зв’язок характерний також для солей оксигеновмісних кислот і лугів. Такі сполуки, як солі та луги, складаються з йонів. У складі солі оксигеновмісної сполуки є позитивно заряджені йони металічного елемента (один чи кілька) і негативно заряджені йони кислотного залишку (SO^2-₃; SO^2-₄ тощо). Між атомами кислотоутворюючого елемента й Оксигену наявний ковалентний полярний зв’язок. Катіони металічного елемента й аніони кислотного залишку поєднані йонним зв’язком (K₂SO₄).

Аналогічно — в основах: у складі гідроксид-аніона ОН^- між атомами Оксигену й Гідрогену утворюється ковалентний полярний зв’язок. Зв’язок між катіоном металічного елемента й гідроксид-аніоном — йонний (NaOH).

Підсумки

• 1. Хімічний зв'язок — це взаємодія між частинками (атомами, молекулами, йонами), завдяки якій вони утримуються разом.
• 2. Електронегативність — це властивість атома елемента зміщувати до себе електронну пару, спільну з атомом іншого елемента.
• 3. Ковалентний зв'язок — це зв'язок між атомами, зумовлений наявністю спільних електронних пар.
• 4. Неполярний ковалентний зв'язок — це зв'язок між атомами з однаковою електронегативністю.
• 5. Полярний ковалентний зв'язок утворюють атоми з різною електронегативністю.
• 6. Йонний зв'язок — це хімічний зв'язок між протилежно зарядженими йонами в речовині.
• 7. Сполуки, що складаються з йонів, називають йонними сполуками.
• 8. Властивості речовин (твердість, температура плавлення, електропровідність, розчинність у воді, леткість тощо) залежать від типу їх кристалічних ґраток.

Контрольні запитання

• 1. Які види хімічних зв'язків ви знаєте?
• 2. Що відбувається з електронними орбіталями під час утворення спільної електронної пари?
• 3. У якому разі ковалентний зв'язок називають одинарним?
• 4. Що характеризує електронегативність елемента?
• 5. Який зв'язок називають: а) полярним ковалентним; б) неполярним?
• 6. Чи є молекула води диполем?
• 7. Які частинки можуть міститись у вузлах кристалічних ґраток? Які типи кристалічних ґраток ви знаєте?
• 8. Наведіть приклади йонних сполук.
• 9. Поясніть, чому йонний зв'язок утворюється між атомами типових металічних і неметалічних елементів.
• 10. Порівняйте фізичні властивості речовин, які мають молекулярні й атомні кристалічні ґратки.

Вправи та задачі

1. Який знак заряду мають йони металічних елементів? Як їх називають?

2. Наведіть приклади речовин, які у твердому стані мають:

• а) молекулярні;
• б) йонні;
• в) атомні кристалічні ґратки.

3. Які з речовин — КН, РСl₅, CaF₂, KF, H₂S, SO₂ — є йонним сполуками? Чому?

4. Чому для речовин з йонним видом зв'язку поняття молекула не має змісту?

5. Формульна одиниця калій сульфату — K₂SO₄. Які види зв'язків є в цій речовині?

6. Складіть формули сполук, утворених такими йонами:

• a) Fe³⁺ i SO^2-₄;
• б) К^{+ i} О^2-;
• в) Li⁺ i SO^2-₃;
• г) Mg²⁺ i Br^-;

7. Наведіть формули кількох:

• а) основних оксидів;
• б) основ;
• в) солей;
• г) кислотних оксидів.

Запишіть формули йонів, з яких вони складаються, якщо це йонна сполука.

8. Укажіть вид хімічного зв'язку в речовинах, формули яких: СН₄; H₂S, OF₂, Сl₂О, CaO, NaF.

9. Як змінюється електронегативність елементів у періодах і групах періодичної системи? Розмістіть елементи Al, Cl, Si, S у послідовності зростання електронегативності.

10. Обчисліть масу натрій сульфату кількістю речовини 2 моль.

11. Обчисліть об'єм газу, що виділився під час взаємодії 1,2 моль цинку з хлоридною кислотою.

12. Обчисліть кількість атомів Оксигену, що міститься у 5,6 л (н. у.) сульфур(ІV) оксиду.

13. Обчисліть маси калій гідроксиду й ортофосфатної кислоти необхідні для добування 53 г калій ортофосфату.

14. Обчисліть об'єм кисню (н. у.) масою 160 г.

15. Обчисліть кількість речовини купрум(ІІ) гідроксиду, у якій міститься 1,4 моль Гідрогену.

16*. Визначте масу Сульфуру в суміші, що містить 1,4 моль натрій сульфіду та 0,6 моль алюміній сульфіду.

17. Який об'єм (н. у.) водню виділиться під час взаємодії 0,4 моль алюмінію з сульфатною кислотою, взятою у достатній кількості?