Типи хімічних зв'язків. Хімічна зв'язок Hcl яка хімічна зв'язок
169338 0
Кожен атом має деяким числом електронів.
Вступаючи в хімічні реакції, атоми віддають, набувають, або усуспільнюється електрони, досягаючи найбільш стійкою електронної конфігурації. Найбільш стійкою виявляється конфігурація з найбільш низькою енергією (як в атомах інертних газів). Ця закономірність називається "правилом октету" (рис. 1).
Мал. 1.
Це правило застосовується до всіх типам зв'язків. Електронні зв'язку між атомами дозволяють їм формувати стійкі структури, від найпростіших кристалів до складних біомолекул, що утворюють, в кінцевому рахунку, живі системи. Вони відрізняються від кристалів безперервним обміном речовин. При цьому багато хімічних реакцій протікають по механізмам електронного переносу, Які відіграють найважливішу роль в енергетичних процесах в організмі.
Хімічна зв'язок - це сила, що утримує разом два або кілька атомів, іонів, молекул або будь-яку їх комбінацію.
Природа хімічного зв'язку універсальна: це електростатична сила тяжіння між негативно зарядженими електронами і позитивно зарядженими ядрами, що визначається конфігурацією електронів зовнішньої оболонки атомів. Здатність атома утворювати хімічні зв'язки називається валентністю, або ступенем окислення. З валентністю пов'язано поняття про валентних електронах - електронах, що утворюють хімічні зв'язки, тобто знаходяться на найбільш високоенергетичних орбиталях. Відповідно, зовнішню оболонку атома, що містить ці орбіталі, називають валентної оболонкою. В даний час недостатньо вказати наявність хімічного зв'язку, а необхідно уточнити її тип: іонна, ковалентний, диполь-дипольна, металева.
Перший тип зв'язку -іонна зв'язок
Відповідно до електронної теорією валентності Льюїса і Косселя, атоми можуть досягти стійкої електронної конфігурації двома способами: по-перше, втрачаючи електрони, перетворюючись в катіони, По-друге, купуючи їх, перетворюючись в аніони. В результаті електронного переносу завдяки електростатичного силі тяжіння між іонами з зарядами протилежного знака утворюється хімічний зв'язок, названа Косселем « електровалентной»(Тепер її називають іонної).
В цьому випадку аніони і катіони утворюють стійку електронну конфігурацію із заповненою зовнішньої електронної оболонкою. Типові іонні зв'язки утворюються з катіонів Т і II груп періодичної системи і аніонів неметалічних елементів VI і VII груп (16 і 17 підгруп - відповідно, халькогенові галогенів). Зв'язки у іонних з'єднань ненасичені і ненаправлення, тому можливість електростатичного взаємодії з іншими іонами у них зберігається. На рис. 2 і 3 показані приклади іонних зв'язків, відповідних моделі електронного переносу Косселя.
Мал. 2.
Мал. 3. Іонна зв'язок в молекулі кухонної солі (NaCl)
Тут доречно нагадати про деякі властивості, що пояснюють поведінку речовин в природі, зокрема, розглянути подання про кислотахі підставах.
Водні розчини всіх цих речовин є електролітами. Вони по-різному змінюють забарвлення індикаторів. Механізм дії індикаторів був відкритий Ф.В. Оствальдом. Він показав, що індикатори являють собою слабкі кислоти або підстави, забарвлення яких в недиссоциированном і диссоциированном станах різниться.
Підстави здатні нейтралізувати кислоти. Не всі підстави розчинні у воді (наприклад, нерозчинні деякі органічні сполуки, що не містять - ОН-груп, зокрема, триетиламін N (С 2 Н 5) 3); розчинні підстави називають лугами.
Водні розчини кислот вступають в характерні реакції:
а) з оксидами металів - з утворенням солі і води;
б) з металами - з утворенням солі і водню;
в) з карбонатами - з утворенням солі, СO 2 і Н 2 O.
Властивості кислот і підстав описують кілька теорій. У відповідність з теорією С.А. Аррениуса, кислота являє собою речовина, дисоціює з утворенням іонів Н +, Тоді як підстава утворює іони ВІН -. Ця теорія не враховує існування органічних підстав, які не мають гідроксильних груп.
Відповідно до протонноїтеорією Бренстеда і Лоурі, кислота являє собою речовина, що містить молекули або іони, що віддають протони ( донорипротонів), а підстава - речовина, що складається з молекул або іонів, які беруть протони ( акцепторипротонів). Відзначимо, що у водних розчинах іони водню існують в гидратированной формі, тобто у вигляді іонів гідроксонію H 3 O +. Ця теорія описує реакції не тільки з водою і гідроксидні іонами, а й здійснюються за відсутності розчинника або з неводним розчинником.
Наприклад, в реакції між аміаком NH 3 (слабким підставою) і хлороводородом в газовій фазі утворюється твердий хлорид амонію, причому в рівноважної суміші двох речовин завжди присутні 4 частки, дві з яких - кислоти, а дві інші - підстави:
Ця рівноважна суміш складається з двох сполучених пар кислот і підстав:
1) NH 4 + і NH 3
2) HClі Сl ‑
Тут в кожній сполученій парі кислота і підставу розрізняються на один протон. Кожна кислота має поєднане з нею підставу. Сильної кислоті відповідає слабке поєднане підставу, а слабкою кислоті - сильне поєднане підставу.
Теорія Бренстеда-Лоурі дозволяє пояснити унікальність ролі води для життєдіяльності біосфери. Вода, в залежності від взаємодіє з нею речовини, може проявляти властивості або кислоти, або підстави. Наприклад, в реакціях з водними розчинами оцтової кислоти вода є підставою, а з водними розчинами аміаку - кислотою.
1) СН3СООН + Н 2 O ↔ Н 3 O + + СН 3 СОО -. Тут молекула оцтової кислоти донірует протон молекулі води;
2) NH 3 + Н 2 O ↔ NH 4 + + ВІН -. Тут молекула аміаку акцептує протон від молекули води.
Таким чином, вода може утворювати дві сполучені пари:
1) Н 2 O (Кислота) і ВІН - (поєднане підставу)
2) Н 3 О + (Кислота) і Н 2 O(Поєднане підставу).
У першому випадку вода донірует протон, а в другому - акцептує його.
Така властивість називається амфіпротонностью. Речовини, здатні вступати в реакції як і кислот, і підстав, називаються амфотерними. У живій природі такі речовини зустрічаються часто. Наприклад, амінокислоти здатні утворювати солі і з кислотами, і з підставами. Тому пептиди легко утворюють координаційні сполуки з присутніми іонами металів.
Таким чином, характерна властивість іонної зв'язку - повне переміщення нари зв'язують електронів до одного з ядер. Це означає, що між іонами існує область, де електронна щільність майже нульова.
Другий тип зв'язку -ковалентная зв'язок
Атоми можуть утворювати стійкі електронні конфігурації шляхом усуспільнення електронів.
Такий зв'язок утворюється, коли пара електронів усуспільнюється по одному від кожного атома. В такому випадку усуспільнені електрони зв'язку розподілені між атомами порівну. Прикладами ковалентного зв'язку можна назвати гомоядернихдвоатомні молекули Н 2 , N 2 , F 2. Цей же тип зв'язку є у алотропія O 2 і озону O 3 і у багатоатомної молекули S 8, а також у гетероядерних молекул хлороводню НСl, Вуглекислий газ СO 2, метану СH 4, етанолу З 2 Н 5 ВІН, Гексафториду сірки SF 6, ацетилену З 2 Н 2. У всіх цих молекул електрони однаково загальні, а їх зв'язки насичені і спрямовані однаково (рис. 4).
Для біологів важливо, що у подвійному і потрійному зв'язків ковалентні радіуси атомів у порівнянні з одинарним зв'язком зменшені.
Мал. 4. Ковалентний зв'язок в молекулі Сl 2.
Іонний і ковалентний типи зв'язків - це два граничних випадки безлічі існуючих типів хімічних зв'язків, причому на практиці більшість зв'язків проміжні.
З'єднання двох елементів, розташованих в протилежних кінцях одного або різних періодів системи Менделєєва, переважно утворюють іонні зв'язку. У міру зближення елементів в межах періоду іонний характер їх з'єднань зменшується, а ковалентний - збільшується. Наприклад, нітрати і оксиди елементів лівої частини періодичної таблиці утворюють переважно іонні зв'язку ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), А такі ж з'єднання елементів правій частині таблиці - ковалентні ( Н 2 O, СО2, NH 3, NO 2, СН 4, фенол C 6 H 5 OH, глюкоза З 6 H 12 О 6, етанол З 2 Н 5 ОН).
Ковалентний зв'язок, в свою чергу, має ще одну модифікацію.
У багатоатомних іонів і в складних біологічних молекулах обидва електрона можуть відбуватися тільки з одногоатома. Він називається доноромелектронної пари. Атом, усуспільнюється з донором цю пару електронів, називається акцепторомелектронної пари. Такий різновид ковалентного зв'язку названа координаційної (донорно-акцепторної, абодатівная) зв'язком(Рис. 5). Цей тип зв'язку найбільш важливий для біології та медицини, оскільки хімія найбільш важливих для метаболізму d-елементів в значній мірі описується координаційними зв'язками.
Pіc. 5.
Як правило, в комплексному поєднанні атом металу виступає акцептором електронної пари; навпаки, при іонних і ковалентних зв'язках атом металу є донором електрона.
Суть ковалентного зв'язку і її різновиди - координаційного зв'язку - можна прояснити за допомогою ще однієї теорії кислот і підстав, запропонованої ГН. Льюїсом. Він дещо розширив смислове поняття термінів «кислота» і «основа» за теорією Бренстеда-Лоурі. Теорія Льюїса пояснює природу утворення комплексних іонів і участь речовин в реакціях нуклеофільного заміщення, тобто в освіті КС.
Згідно Льюїсу, кислота - це речовина, здатне утворювати ковалентний зв'язок шляхом акцептування електронної пари від заснування. Льюісовим підставою названо речовина, що володіє неподіленої електронної парою, яка, доніруя електрони, утворює ковалентний зв'язок з Льюісовой кислотою.
Тобто теорія Льюїса розширює коло кислотно-основних реакцій також на реакції, в яких протони не беруть участь зовсім. Причому сам протон, за цією теорією, також є кислотою, оскільки здатний акцептувати електронну пару.
Отже, згідно з цією теорією, катіони є Льюісовимі кислотами, а аніони - Льюісовимі підставами. Прикладом можуть служити такі реакції:
Вище зазначено, що підрозділ речовин на іонні та ковалентні відносне, оскільки повного переходу електрона від атомів металу до акцепторні атомам в ковалентних молекулах не відбувається. У з'єднаннях з іонним зв'язком кожен іон знаходиться в електричному полі іонів протилежного знака, тому вони взаємно поляризуються, а їх оболонки деформуються.
поляризуемостьвизначається електронної структурою, зарядом і розмірами іона; у аніонів вона вище, ніж у катіонів. Найбільша поляризованість серед катіонів - у катіонів більшого заряду і меншого розміру, наприклад, у Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Аl 3+, Тl 3+. Сильним поляризующим дію має Н +. Оскільки вплив поляризації іонів двостороннє, вона значно змінює властивості утворених ними сполук.
Третій тип зв'язку -диполь-дипольна зв'язок
Крім перерахованих типів зв'язку, розрізняють ще диполь-дипольні міжмолекулярнівзаємодії, звані також вандерваал'совимі .
Сила цих взаємодій залежить від природи молекул.
Виділяють взаємодії трьох типів: постійний диполь - постійний диполь ( диполь-дипольна тяжіння); постійний диполь - індукований диполь ( індукційне тяжіння); миттєвий диполь - індукований диполь ( дисперсійне тяжіння, або лондоновских сили; Мал. 6).
Мал. 6.
Диполь-дипольниммоментом володіють тільки молекули з полярними ковалентними зв'язками ( HCl, NH 3, SO 2, Н 2 O, C 6 H 5 Cl), Причому сила зв'язку становить 1-2 дебая(1Д \u003d 3,338 × 10 -30 кулон-метра - Кл × м).
У біохімії виділяють ще один тип зв'язку - водневу зв'язок, що є граничним випадком диполь-дипольного тяжіння. Цей зв'язок утворена тяжінням між атомом водню і електронегативний атомом невеликого розміру, найчастіше - киснем, фтором і азотом. З великими атомами, що володіють аналогічною електронегативні (наприклад, з хлором і сіркою), воднева зв'язок виявляється значно слабшою. Атом водню відрізняється однією суттєвою особливістю: при зволіканні зв'язують електронів його ядро \u200b\u200b- протон - оголюється і перестає екрануватися електронами.
Тому атом перетворюється у великий диполь.
Водневий зв'язок, на відміну від вандерваальсова, утворюється не тільки при міжмолекулярних взаємодіях, але і всередині однієї молекули - внутримолекулярнаяводнева зв'язок. Водневі зв'язки відіграють в біохімії важливу роль, наприклад, для стабілізації структури білків у вигляді а-спіралі, або для утворення подвійної спіралі ДНК (рис. 7).
Рис.7.
Воднева і вандерваальсова зв'язку значно слабкіше, ніж іонна, ковалентний та координаційна. Енергія міжмолекулярних зв'язків вказана в табл. 1.
Таблиця 1. Енергія міжмолекулярних сил
Примітка: Ступінь міжмолекулярних взаємодій відображають показники ентальпії плавлення і випаровування (кипіння). Іонним з'єднанням потрібно для поділу іонів значно більше енергії, ніж для поділу молекул. Ентальпії плавлення іонних з'єднань значно вище, ніж молекулярних сполук.
Четвертий тип зв'язку -металева зв'язок
Нарешті, є ще один тип міжмолекулярних зв'язків - металевий: зв'язок позитивних іонів решітки металів з вільними електронами. У біологічних об'єктах цей тип зв'язку не зустрічається.
З короткого огляду типів зв'язків з'ясовується одна деталь: важливим параметром атома або іона металу - донора електронів, а також атома - акцептоpa електронів є його розмір.
Не вдаючись в деталі, зазначимо, що ковалентні радіуси атомів, іонні радіуси металів і вандерваальсови радіуси взаємодіючих молекул збільшуються в міру зростання їх порядкового номера в групах періодичної системи. При цьому значення радіусів іонів - найменші, а вандерваальсова радіусів - найбільші. Як правило, при русі вниз по групі радіуси всіх елементів збільшуються, причому як ковалентні, так і вандерваальсови.
Найбільше значення для біологів і медиків мають координаційні(донорно-акцепторні) Зв'язку, що розглядаються координаційної хімією.
Медична біонеорганіка. Г.К. баранчиків
завдання №1
Із запропонованого переліку виберіть два з'єднання, в яких присутня іонна хімічний зв'язок.
- 1. Ca (ClO 2) 2
- 2. HClO 3
- 3. NH 4 Cl
- 4. HClO 4
- 5. Cl 2 O 7
Відповідь: 13
Визначити наявність іонного типу зв'язку в з'єднанні в переважній більшості випадків можна по тому, що до складу його структурних одиниць одночасно входять атоми типового металу і атоми неметалла.
За цією ознакою ми встановлюємо, що іонна зв'язок мається на з'єднанні під номером 1 - Ca (ClO 2) 2, тому що в його формулі можна побачити атоми типового металу кальцію і атоми неметалів - кисню і хлору.
Однак, більше сполук, що містять одночасно атоми металу і неметалла, в зазначеному списку немає.
Серед зазначених в завданні з'єднань є хлорид амонію, в ньому іонна зв'язок реалізується між катіоном амонію NH 4 + і хлорид-іоном Cl -.
завдання №2
Із запропонованого переліку виберіть два з'єднання, в яких тип хімічного зв'язку такий же, як в молекулі фтору.
1) кисень
2) оксид азоту (II)
3) бромоводород
4) йодид натрію
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 15
Молекула фтору (F 2) складається з двох атомів одного хімічного елемента неметалла, тому хімічний зв'язок в даній молекулі ковалентная неполярная.
Ковалентний неполярний зв'язок може бути реалізована тільки між атомами одного і того ж хімічного елемента неметалла.
Із запропонованих варіантів ковалентний неполярний тип зв'язку мають тільки кисень і алмаз. Молекула кисню є двухатомной, складається з атомів одного хімічного елемента неметалла. Алмаз має атомне будова і в його структурі кожен атом вуглецю, що є неметаллом, пов'язаний з 4-ма іншими атомами вуглецю.
Оксид азоту (II) - речовина складається з молекул, утворених атомами двох різних неметалів. Оскільки електронегативності різних атомів завжди різні, загальна електронна пара в молекулі зміщена до більш електронегативного елементу, в даному випадку до кисню. Таким чином, зв'язок в молекулі NO є ковалентним полярної.
Бромоводород також складається з двохатомних молекул, що складаються з атомів водню і брому. Загальна електронна пара, що утворює зв'язок H-Br, зміщена до більш електронегативного атома брому. Хімічна зв'язок в молекулі HBr також є ковалентним полярної.
Йодид натрію - речовина іонного будови, утворене катіоном металу і йодид-аніоном. Зв'язок в молекулі NaI утворена за рахунок переходу електрона з 3 sорбіталі атома натрію (атом натрію перетворюється в катіон) на недозаповнений 5 pорбіталь атома йоду (атом йоду перетворюється на аніон). Така хімічна зв'язок називається іонної.
завдання №3
Із запропонованого переліку виберіть два речовини, між молекулами яких утворюються водневі зв'язку.
- 1. C 2 H 6
- 2. C 2 H 5 OH
- 3. H 2 O
- 4. CH 3 OCH 3
- 5. CH 3 COCH 3
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 23
пояснення:
Водневі зв'язки мають місце в речовинах молекулярного будови, в яких присутні ковалетние зв'язку H-O, H-N, H-F. Тобто ковалентні зв'язки атома водню з атомами трьох хімічних елементів з найвищою електронегативні.
Таким чином, очевидно, водневі зв'язки є між молекулами:
2) спиртів
3) фенолів
4) карбонових кислот
5) аміаку
6) первинних і вторинних амінів
7) плавикової кислоти
завдання №4
Із запропонованого переліку виберіть два з'єднання з іонної хімічним зв'язком.
- 1. PCl 3
- 2. CO 2
- 3. NaCl
- 4. H 2 S
- 5. MgO
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 35
пояснення:
Зробити висновок про наявність іонного типу зв'язку в з'єднанні в переважній більшості випадків можна по тому, що до складу структурних одиниць речовини одночасно входять атоми типового металу і атоми неметалла.
За цією ознакою ми встановлюємо, що іонна зв'язок мається на з'єднанні під номером 3 (NaCl) і 5 (MgO).
Примітка *
Крім зазначеного вище ознаки, про наявність іонної зв'язку в з'єднанні можна говорити, якщо в складі його структурної одиниці міститься катіон амонію (NH 4 +) або його органічні аналоги - катіони алкіламмонія RNH 3 +, діалкіламонія R 2 NH 2 +, тріалкіламмонія R 3 NH + або тетраалкіламонію R 4 N +, де R - деякий вуглеводневий радикал. Наприклад, іонний тип зв'язку має місце в з'єднанні (CH 3) 4 NCl між катіоном (CH 3) 4 + і хлорид-іоном Cl -.
завдання №5
Із запропонованого переліку виберіть два речовини з однаковим типом будови.
4) кухонна сіль
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 23
завдання №8
Із запропонованого переліку виберіть два речовини немолекулярного будови.
2) кисень
3) білий фосфор
5) кремній
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 45
завдання №11
Із запропонованого переліку виберіть два речовини, в молекулах яких присутня подвійна зв'язок між атомами вуглецю і кисню.
3) формальдегід
4) оцтова кислота
5) гліцерин
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 34
завдання №14
Із запропонованого переліку виберіть два речовини з іонним зв'язком.
1) кисень
3) оксид вуглецю (IV)
4) хлорид натрію
5) оксид кальцію
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 45
завдання №15
Із запропонованого переліку виберіть два речовини з таким же типом кристалічної решітки, як у алмазу.
1) кремнезем SiO 2
2) оксид натрію Na 2 O
3) чадний газ CO
4) білий фосфор P 4
5) кремній Si
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 15
завдання №20
Із запропонованого переліку виберіть два речовини, в молекулах яких є одна потрійний зв'язок.
- 1. HCOOH
- 2. HCOH
- 3. C 2 H 4
- 4. N 2
- 5. C 2 H 2
Запишіть в поле відповіді номери обраних з'єднань.
Відповідь: 45
пояснення:
Для того, щоб знайти правильну відповідь, намалюємо структурні формули сполук з представленого списку:
Таким чином, ми бачимо, що потрійний зв'язок мається на молекулах азоту і ацетилену. Тобто правильні відповіді 45
завдання №21
Із запропонованого переліку виберіть два речовини, в молекулах яких є ковалентний неполярний зв'язок.
1.Щелочноземельние метали відносяться5) до s- елементів
6) до p- елементів
7) до d- елементів
8) до f - елементів
2. Скільки електронів містять на зовнішньому енергетичному рівні атоми лужноземельних металів
1) Один 2) два 3) три 4) чотири
3. У хімічних реакціях атоми алюмінію виявляють
3) Окислювальні властивості 2) кислотні властивості
4) 3) відновні властивості 4) основні властивості
4. Взаємодія кальцію з хлором відноситься до реакцій
1) Розкладання 2) з'єднання 3) заміщення 4) обміну
5. Молекулярна маса бікарбонату натрію дорівнює:
1) 84 2) 87 3) 85 4) 86
3. Який атом важче - заліза або кремнію - і у скільки разів?4.Визначите відносні молекулярні маси простих речовин: водню, кисню, хлору, міді, алмазу (вуглецю). Згадайте, які з них складаються з двохатомних молекул, а якісь з атомів.
5.рассчітайте відносну молекулярні маси наведених нижче речовин вуглекислого газу СО2 сірчаної кислоти Н2SO4 цукру C12H22O11 етіловоого спирту С2Н6О мармуру СаСРО3
6. У перекису водню на один атом кисню доводиться один атом водню. Визначте формулу прекісі водню, якщо ізветсо що її відносна молекулярна маса дорівнює 34. Яке масове співвідношення водню і кисню в цьому з'єднанні?
7. У скільки разів молекула вуглекислого газу важче молекули кисню?
Допоможіть пожжжжжалуйста, завдання 8 класу.