2.1. Природа хімічного зв’язку
Хімічний зв’язок — це сили, які об’єднують окремі атоми під час їхнього зіткнення в молекули, йони або кристали. Їхня природа полягає в електростатичній взаємодії між електронами та позитивно зарядженими ядрами атомів.
Таку взаємодію атомів між собою пояснюють їхнім намаганням завершити свої зовнішні енергетичні рівні до двох- або восьми-електронної структури, оскільки вона є найстабільнішою. Утворення таких структур відбувається за рахунок перекривання електронних s- і s-, s- і p-, p- і p-орбіталей атомів, що взаємодіють між собою (рис. 1).
Рис. 1. Перекривання електронних орбіталей під час утворення ковалентного зв’язку: а — s-орбіталей атомів Гідрогену в молекулі Н2; б — s-орбіталі атома Гідрогену і p-орбіталі атома Хлору в молекулі HCl; в — р-орбіталей Хлору в молекулі Cl2
Унаслідок такого перекривання, наприклад під час утворення молекули водню, відбувається, по-перше, притягування електронів до ядер обох сполучених у молекулу атомів, а по-друге — відштовхування їхніх позитивно заряджених ядер (рис. 2).
Розрізняють три основні типи хімічного зв’язку: ковалентний, йонний і металічний.
Ковалентним називають хімічний зв’язок, який виникає в результаті утворення однієї або кількох пар електронів, спільних для двох атомів.
Ковалентний зв’язок утворюється між атомами, що мають однакові або близькі значення електронегативності. Як правило, він виникає між атомами неметалічних елементів: Cl2, N2, H2O, HCl тощо.
Ковалентний зв’язок може бути полярним або неполярним. У разі перекривання електронних хмар атомів з однаковою електронегативністю виникає неполярний ковалентний зв’язок (Cl2, H2, O2). Якщо ж взаємодіють атоми з різною електронегативністю, то утворюється полярний ковалентний зв’язок (H2O, HCl).
Через те що в разі виникнення ковалентного зв’язку кожний з атомів, що взаємодіють, використовує для утворення спільної електронної пари по одному електрону, такий механізм називають обмінним. Слід розрізняти поняття «полярність молекули» та «полярність хімічного зв’язку».
Так, у багатьох молекулах з полярним ковалентним зв’язком центри надлишкового негативного та позитивного зарядів, які позначають відповідно 5- та 5+, розташовані в різних точках. Вони виникають унаслідок утворення ковалентного зв’язку атомами елементів з різною електронегативністю. У таких випадках говорять, що і зв’язок полярний, і молекула полярна.
Однак молекули з полярним ковалентним зв’язком можуть бути й неполярними. Наприклад, у молекулі карбон(ІУ) оксиду зв’язок між атомами Карбону й Оксигену ковалентний полярний, але мо-
лекула є неполярною, оскільки хімічні зв’язки розташовані симетрично відносно центру молекули:
Кількість спільних електронних пар, які беруть участь в утворенні ковалентного зв’язку, називають його кратністю. Кратність зв’язку може дорівнювати одиниці, двом і трьом. Що більша кратність зв’язку, то він міцніший.
Зі збільшенням радіусів атомів хімічний зв’язок між ними слабшає. Наприклад, у ряді HF—HCl—HBr—HI спостерігається збільшення радіусів атомів галогенів, а отже, одночасно і послаблення зв’язку.
Більшість сполук з типовим ковалентним зв’язком мають низькі температури плавлення та кипіння, погано розчиняються у воді.
У разі взаємодії атомів елементів, які дуже відрізняються один від одного значенням електронегативності, спільні електронні пари практично повністю переходять до атома елемента з більшою електронегативністю. Унаслідок цього утворюються різнойменно заряджені йони. У цьому випадку заряд негативного йона, який іще називають аніоном, дорівнює кількості приєднаних ним електронів, а заряд позитивно зарядженого йона — катіона дорівнює кількості відданих ним електронів.
Хімічний зв’язок, що виникає в результаті взаємного електростатичного притягання протилежно заряджених йонів, називають йонним.
Йонний зв’язок за властивостями відрізняється від ковалентного. Так, у йонних кристалах кожен йон електростатично притягується до всіх протилежно заряджених йонів. Це означає, що йонний зв’язок неможливо характеризувати направленістю.
Запитання та завдання
1. Виберіть формули сполук, що утворені зв’язком: а) полярним ковалентним; б) неполярним ковалентним; в) йонним:
O2, HCl, K2O, MgO, NO, H2, SO2, H2S, F2, CaCl2.
2. Укажіть дві особливості, за якими йонний зв’язок відрізняється від ковалентного.
3. Які зв’язки у кальцій карбонаті є йонними, а які — ковалентними?
4. Що таке кратність ковалентного зв’язку? Чому вона може дорівнювати?
5. Чи можуть молекули, утворені полярним ковалентним зв’язком, бути неполярними? Чому?
6. До атома якого елемента повністю переходять спільні електронні пари в разі утворення йонного зв’язку?
7. Розставте формули молекул PCl3, PBr3, PF3 за збільшенням довжини ковалентного зв’язку між їхніми атомами.
8. Розставте формули молекул H2S, Cl2, N2 за збільшенням кількості ковалентних зв’язків у їхніх молекулах.
9. У якій зі сполук HBr, HCl, HI зв’язок між атомами є найбільш полярним?
*10. У якій із речовин зв’язок між атомами тільки ковалентний полярний: а) натрій оксид; б) гідроген пероксид; в) карбон(ІУ) оксид?
*11. Визначте, за рахунок яких електронів (s-, p-) формується ковалентний зв’язок під час утворення молекул фтору F2 і гідроген сульфіду H2S.
2.2. Кристалічна й молекулярна будова речовини
Усі тіла, які складаються з твердих речовин, на відміну від рідких і газоподібних, мають певну форму та об’єм.
За внутрішньою будовою й властивостями розрізняють дві форми твердої речовини — аморфну й кристалічну. В аморфній речовині її частинки (молекули, атоми, йони) розміщені безладно (рис. 3, а). Під час нагрівання аморфні речовини (скло, смоли тощо) не плавляться за певної температури, а поступово розм’якшуються, перетворюючись на рідину.
У кристалічній речовині частинки розташовані в строго певних точках простору (рис. 3, б). Якщо ці точки сполучити уявними прямими лініями, то утворюється просторовий каркас — кристалічні ґратки. Точки, у яких перехрещуються уявні лінії, називають вузлами кристалічних ґраток. У них і перебувають реальні частинки речовини, які постійно коливаються. З підвищенням температури амплітуда коливань збільшується, що спричиняє теплове розширення тіл.
Рис. 3. Будова аморфного кварцового скла (а) і кристалічного кварцу (б), що побудовані з тієї самої речовини SiO2
Кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані атоми, називають атомними. Атоми сполучені між собою ковалентними зв’язками. Наприклад, у кристалічних ґратках алмазу кожен атом Карбону сполучений із чотирма сусідніми атомами рівноцінними за дов-
жиною та енергією ковалентними зв’язками (рис. 4, а). Речовини з атомними кристалічними ґратками мають немолекулярну будову.
Рис. 4. Моделі кристалічних ґраток: а — атомних (алмаз); б — молекулярних (лід); в — йонних (натрій хлорид)
Речовини з атомними кристалічними ґратками (кристалічний бор, кремній, германій, силіцій(^) оксид тощо) мають високі температури плавлення, високу твердість і міцність. За звичайних умов практично не розчиняються в жодному рідкому розчиннику.
Кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані молекули (полярні чи неполярні), називають молекулярними. Молекули в цих ґратках утримуються слабкими силами міжмолекулярної взаємодії. Через це такі речовини плавляться та киплять за низьких температур. Вони м’які, нерозчинні або малорозчинні у воді, їхні розчини не проводять електричний струм.
Речовини з молекулярними кристалічними ґратками — це сполуки з молекулярною будовою. До них відносять воду (лід), «сухий лід» — твердий CO2, тверді прості речовини (йод I2, фосфор P4, сірка S8 та ін.), більшість органічних сполук у твердому стані (глюкоза, нафтален тощо) (рис. 4, б).
Кристалічні ґратки, утворені йонами, називають йонними. У вузлах таких ґраток розташовані позитивно заряджені йони, оточені негативно зарядженими йонами, і навпаки. Між йонами існують сили електростатичного притягання. Так, у кристалі NaCl кожен йон Натрію оточений шістьма йонами Хлору, а кожний йон Хлору — шістьма йонами Натрію (рис. 4, в).
Кількість зв’язків між йонами в такому кристалі достатньо велика, тому всі йони міцно сполучені один з одним. Через це сполуки з йонними кристалічними ґратками за кімнатної температури є твердими й нелеткими. Вони мають високі температури плавлення та високу твердість, але водночас є крихкими і не проводять електричний струм, а в результаті розплавлення або розчинення в розчинниках з полярним ковалентним зв’язком, наприклад у воді, стають провідниками електричного струму. Йонні сполуки відносять до речовин немолекулярної будови.
Запитання та завдання
°1. На основі чого розрізняють дві форми твердої речовини?
°2. Що таке кристалічні ґратки? вузли кристалічних ґраток?
°3. Які кристалічні ґратки називають атомними? Якими хімічними зв’язками сполучені в них частинки речовини?
4. Які фізичні властивості характерні для речовин з атомними кристалічними ґратками?
°5. Які кристалічні ґратки називають молекулярними? Чому?
6. Які сили утримують молекули у вузлах молекулярних кристалічних ґраток?
7. Які фізичні властивості характерні для речовин у твердому стані з молекулярними кристалічними ґратками?
8. Які речовини у твердому стані — графіт, йод, лід — мають молекулярні кристалічні ґратки?
9. Які кристалічні ґратки називають йонними? Які сили утримують частинки речовини у вузлах кристалічних ґраток?
10. Які фізичні властивості характерні для речовин з йонними кристалічними ґратками?
11. Які сполуки — з йонним чи ковалентним зв’язком — погано розчиняються у воді та мають низькі температури плавлення і кипіння?
12. Які речовини — CaCO3, H2O (лід), алмаз, І2 (тв) — мають йонні кристалічні ґратки?
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)