Теория

План.

1. Понятие о химической связи. Виды связи: ковалентная, ионная, металлическая. Свойства связи: направленность, кратность, длина, полярность. Структурные и электронные формулы вещества.

6. Кристаллические решетки. Зависимость свойств веществ от типа кристаллической решетки.

7. Степень окисления. Окислительно-восстановительные процессы.

Только инертные газы в стандартных условиях находятся в одноатомном состоянии. Все остальные элементы, стремясь завершить свой внешний электронный слой, образуют химические связи. Это стремление иметь 8 электронов на внешнем слое называют правилом октета. Обычно, перед тем как вступить в химическую реакцию атом должен получить дополнительную энергию и перейти в возбужденное состояние.

Химическая связь имеет электронную природу, т.е. образуется за счет взаимодействия между ядрами и электронами атомов. Существует несколько видов химической связи.

Ковалентная связь образуется за счет общих электронных пар. Она характерна для неметаллов, т.е. элементов с высокой ЭО, которые завершают свой внешний электронный слой за счет чужих электронов. Обычно ковалентная связь образуется за счет неспаренных электронов внешнего электронного слоя. Химическая связь – это зона повышенной электронной плотности, которая возникает между ядрами двух атомов за счет перекрывания электронных облаков и притягивает их, образуя из отдельных частиц единое целое. Так перекрываются s и p орбитали в молекулах водорода Н₂ и хлора Cl₂

Возможно и перекрывание орбиталей s и p, например, в молекуле воды. И во всех этих случаях область повышенной электронной плотности находится на прямой, которая соединяет центры атомов. Такую связь называют сигма-связь и обозначают буквой . Такую связь обозначают в электронных формулах веществ двумя точками (пара электронов), а в структурных формулах – черточкой. Н-О-Н

Но если связь образована не одной парой электронов, а двумя, то они не могут перекрываться на одной прямой. Одна пара электронов перекрывается на прямой соединяющей центы атомов и образует связь, а другая пара р-орбиталей, перекрывается своими боковыми сторонами. И тогда область повышенной электронной плотности лежит вне прямой, соединяющей центры атомов. Такая связь называют пи-связью ( -связь).

Связь, образованная одной парой электронов, называется одинарной. Связь, образованная двумя парами электронов, называется двойной связью и изображается в электронной формуле двумя парами электронов, а в структурной формуле двумя черточками. О=О

Одна из связей всегда , а другая - . -связь менее прочная чем . Но она «жесткая», т.е. вокруг нее невозможно свободное вращение атомов, образующих связь.

Если связь образована тремя парами электронов, то она будет называться тройной связью. Тройная связь всегда состоит из одной -связи и двух π-связей. Например:

Структурную формулу азота поэтому изображают N≡N.

Различают ковалентную полярную связь и ковалентную неполярную связь (КП и КНП). Если атомы, образующие связь одинаковы, то электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам, и связь называют КНП. Если атомы разные, то электронная пара смещена к более ЭО атому, на атомах появляются частичные заряды, т.н. «полюса», связь называется КП. Элемент с большей ЭО приобретает частичный отрицательный заряд, элемент с меньшей ЭО – частичный положительный заряд. Ковалентная неполярная связь характерна для простых веществ неметаллов, а полярная – для их соединений. Ковалентная связь локализована в пространстве, у нее есть длина, есть определенный угол между связями, ее прочность характеризуется энергией, которая необходима для разрыва связи.

Если элементы очень сильно отличаются по ЭО, т.е. принадлежат один к металлам, другой к неметаллам, то электроны полностью переходят к более ЭО атому, образуются реальные заряды на атомах.

Атомы превращаются в ионы, которые связаны электростатическим взаимодействием. Связь между ионами называют ионной. Такая связь характерна для сложных веществ, образованных металлами и неметаллами. Ионная связь связывает все отрицательные ионы и все положительные ионы, а не конкретные атомы. Такая связь называется нелокализованной. Ионная связь менее прочная чем ковалентная.

Простые вещества – металлы образуют особый вид химической связи, которую называют металлической. Она осуществляется валентными электронами, которые находятся в общем владении всех атомов металла (электронный газ).

Множество атомов соединяясь между собой образуют вещества. В твердом состоянии вещества могут иметь упорядоченную (кристаллическую) и неупорядоченную (аморфную) структуру. Модель кристаллического состояния вещества называют кристаллической решеткой. В зависимости от вида частиц, которые образуют кристаллическую решетку и типа химической связи в ней принято различать молекулярную, ионную, атомную и металлическую кристаллическую решетку. Чем прочнее связь между частицами, тем выше температура плавления вещества, больше твердость. Чем полярнее связи между частицами, тем больше вероятность растворения вещества в воде.

Важной характеристикой элемента является его степень окисления. Степень окисления - это условный заряд, который мог бы появиться на атоме, если бы все электроны образующие его химические связи сместились к более электроотрицательному атому.

Степень окисления элементов в простом веществе равна нулю. Примеры: Na⁰, H⁰₂, P⁰₄.

Есть элементы, которые могут иметь только одну с.о. (кроме 0), а есть элементы с переменной степенью окисления и ее надо уметь определять по формуле вещества. Сумма степеней окисления всех атомов в сложном веществе равна нулю, а в ионе – заряду иона.. Алгоритм вычисления степени окисления аналогичен алгоритму вычисления валентности. Постоянную степень окисления имеют те же металлы, которые имели постоянную валентность. Причем по модулю эти величины совпадают. Отрицательную степень окисления элемента (а она тоже всегда одна) можно определить по ПС. Рассмотрим применение этого правила на простых примерах.

Пример 1. Необходимо найти степени окисления элементов в аммиаке (NH₃).

Решение. Мы уже знаем, что с. о. водорода равна +1. Осталось найти эту характеристику для азота. Пусть х - искомая степень окисления. Составляем простейшее уравнение: х + 3∙(+1) = 0. Решение очевидно: х = -3. Ответ: N^-3H₃⁺¹.

Пример 2. Укажите степени окисления всех атомов в молекуле H₂SO₄.

Решение. Степени окисления водорода и кислорода уже известны: H(+1) и O(-2). Составляем уравнение для определения степени окисления серы: 2∙(+1) + х + 4∙(-2) = 0. Решая данное уравнение, находим: х = +6. Ответ: H⁺¹₂S⁺⁶O^-2₄.

Пример 3. Рассчитайте степени окисления всех элементов в молекуле Al(NO₃)₃.

Решение. Алгоритм остается неизменным. В состав "молекулы" нитрата алюминия входит один атом Al(+3), 9 атомов кислорода (-2) и 3 атома азота, степень окисления которого нам и предстоит вычислить. Соответствующее уравнение: 1∙(+3) + 3х + 9∙(-2) = 0. Ответ: Al⁺³(N⁺⁵O^-2₃)₃. Пример 4. Определите степени окисления всех элементов в (NH₄)₂SO₄.

Решение. Степени окисления водорода и кислорода известны, серы и азота - нет. Классический пример задачи с двумя неизвестными! Будем рассматривать сульфат аммония не как единую "молекулу", а как объединение двух ионов: NH₄⁺ и SO₄^2-. Заряды ионов нам известны, в каждом из них содержится лишь один атом с неизвестной степенью окисления. Пользуясь опытом, приобретенным при решении предыдущих задач, легко находим степени окисления азота и серы. Ответ: (N^-3H₄⁺¹)₂S⁺⁶O₄^-2.

Вывод: если в молекуле содержится несколько атомов с неизвестными степенями окисления, попробуйте "разделить" молекулу на несколько частей.

Когда вещества вступают в химические реакции степени окисления элементов могут изменяться, потому что атомы могут терять или приобретать электрон. Окисление —это процесс, в котором элемент теряет свои электроны. Элемент, который теряет электроны и повышает степень окисления, называется восстановитель.

Если атом отдает свои электроны, то он приобретает положительный заряд: Zn⁰ -2e = Zn²⁺ Если отрицательно заряженный ион (заряд -1), например Сl^-, отдает 1 электрон, то он становится нейтральным атомом: Cl^- - 1e =Cl⁰

Если положительно заряженный ион или атом отдает электроны, то величина его положительного заряда увеличивается соответственно числу отданных электронов:

Fe²⁺ - 1e = Fe³⁺S⁴⁺ - 2e = S²⁺Mn²⁺ - 4e = Mn⁶⁺

Восстановление — это процесс, в котором элемент присоединяет электроны. Элемент, который присоединяет электроны и понижает степень окисления, называется окислителем.

Если атом присоединяет электроны, то он превращается в отрицательно заряженный ион:

S⁰ + 2e = S^2-Br⁰ + 1e = Br^-

Если положительно заряженный ион принимает электроны, то величина его заряда уменьшается:

S⁶⁺ + 2e = S⁴⁺Mn⁷⁺ + 5e = Mn²⁺

или он может превратится в нейтральный атом:

H⁺ + 1e = H⁰Al³⁺ + 3e = Al⁰.

Окислитель в процессе реакции восстанавливается, восстановитель — окисляется. Следует помнить, что рассмотрение окисления (восстановления) как процесса отдачи (и принятия) электронов атомами или ионами не всегда отражает истинное положение, так как во многих случаях происходит не полный перенос электронов, а только смещение электронного облака от одного атома к другому. Однако для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций не имеет существенного значения, какая связь при этом образуется — ионная или ковалентная. Поэтому для простоты будем говорить о присоединении или отдаче электронов независимо от типа связи.

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными (ОВР). Надо научиться расставлять коэффициенты в ОВР методом электронного баланса, потому что обычным подбором это сделать иногда очень трудно.