Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 4. Ковалентная химическая связь

  1. Объясните, что такое кристаллическая решётка вещества.
  2. Перечислите основные месторождения алмазов в нашей стране и в мире в целом.
  3. Расскажите историю одного из семи знаменитых камней алмазного фонда Оружейной палаты — алмаза «Шах».

Механизм образования ковалентной связи. Веществ с ионной связью, как стало ясно из предыдущего параграфа, не так много. Преобладающее количество веществ характеризуется ковалентной связью, так мир органических веществ, которых насчитывается более 27 млн соединений, построен преимущественно на ковалентной связи. Даже среди неорганических (минеральных) веществ эта связь встречается довольно часто, да и ионную связь можно считать крайним случаем ковалентной полярной химической связи.

Химическим синонимом понятия «ковалентная связь» является понятие «атомная связь».

Как образуется ковалентная связь? В случае ионной химической связи всё понятно: атомы одного элемента отдают свои электроны, атомы других — принимают их, при этом возникают положительные и отрицательные ионы, которые за счёт электростатических сил образуют ионное химическое соединение. Например, если атом водорода встретится с атомом металла (щелочного или щёлочноземельного), то атом металла передаст атому водорода электроны с внешнего энергетического уровня и возникнет ионная химическая связь, образуются гидриды:

А как нейтральные атомы удерживаются в одном веществе? Рассмотрим механизм образования ковалентной связи на примере молекулы водорода H2. Если встречаются два одинаковых атома водорода, то в этом случае проблему завершения электронного слоя эти атомы будут решать на паритетных началах — просто-напросто объединят свои электроны, т. е. создадут общую электронную пару. При этом электронные облака-орбитали перекроются, и в пространстве между ядрами двух водородных атомов возникнет некоторая дополнительная электронная плотность — отрицательный заряд, стягивающий положительные ядра взаимодействующих атомов:

Сближение ядер будет происходить до тех пор, пока силы межъ-ядерного отталкивания не будут уравновешены силами притяжения к общей электронной плотности.

Именно так возникает ковалентная связь у всех двухатомных молекул простых веществ (F2, Cl2, N2 и др.):

А теперь дадим определение понятия «ковалентная химическая связь».

Ковалентная химическая связь — это связь, возникающая между атомами за счёт образования общих электронных пар.

Аналогичный механизм возникновения ковалентной связи наблюдается и между атомами разных химических элементов, например:

Электроотрицательность. Нетрудно заметить, что, так же как и в случае образования ковалентной связи между атомами одного элемента, химическая связь между атомами разных элементов возникает за счёт образования общих электронных пар. Но всё не так просто. Паритета между атомами в этом случае не будет, так как начинает проявляться так называемая электроотрицательность.

Электроотрицательностью называется способность атомов химических элементов оттягивать к себе общие электронные пары.

Важнейшие неметаллы можно расположить таким образом — по мере увеличения их электроотрицательности:

Поскольку разные элементы обладают различной электроотрицательностью, то общая электронная пара оказывается смещённой в сторону элемента, обладающего большей электроотрицательностью. В результате на атоме такого элемента образуется частичный отрицательный заряд (его обозначают σ-). Соответственно, на атоме элемента с меньшей электроотрицательностью возникнет такой же частичный, но уже положительный заряд (его обозначают σ+). Следовательно, по линии ковалентной связи возникнет два полюса — отрицательный и положительный. Поэтому такую ковалентную связь называют полярной. Понятно, что ковалентная связь между атомами одного химического элемента будет неполярной, так как в этом случае зарядов-полюсов по линии связи не возникает. В рассмотренных примерах для молекул хлороводорода связь H—Cl является ковалентной полярной.

Так как ковалентная химическая связь в линейной молекуле хлоро-водорода полярна, полярной будет и сама молекула. В ней также присутствуют два противоположно заряженных полюса, поэтому такие молекулы называют диполями. Молекулы воды, имеющие уголковое строение, также представляют собой диполи.

Рассмотренный выше механизм образования ковалентной связи называется обменным, поскольку каждый из атомов предоставил в общую электронную пару по одному электрону.

Молекулярная кристаллическая решётка. Для веществ с ковалентной связью характерны два типа решёток — молекулярные и атомные.

С молекулярными решётками вы уже начали знакомиться. В узлах таких решёток находятся молекулы, образованные за счёт прочных ковалентных связей. А вот между молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения (в физике их называют ван-дер-ваальсовыми — по имени голландского учёного, лауреата Нобелевской премии Я. Д. Ван-дер-Ваальса (1837— 1923)), поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решётками непрочные, легкоплавкие, летучие.

Такие кристаллические решётки имеют газы и жидкости в твёрдом состоянии (рис. 10), кристаллический иод, сера, белый фосфор, большинство органических веществ.

Рис. 10. Молекулярная кристаллическая ре шётка углекислого газа

Атомная кристаллическая решётка. Ковалентные связи могут приводить к образованию веществ не молекулярного, а атомного строения, т. е. веществ с атомной кристаллической решёткой. Это такие решётки, в узлах которых располагаются отдельные атомы, соединённые между собой очень прочными ковалентными связями. Примером веществ с таким типом кристаллической решётки может служить аллотропная модификация углерода — алмаз (рис. 11).

Рис. 11. Атомная кристаллическая решётка алмаза

Аллотропия — это существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ; может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов либо образованием кристаллов различных модификаций.

Необычайная твёрдость алмаза по особой шкале твёрдости веществ (как вы помните, она называется шкалой Мооса) оценена самым высоким значением — 10. Благодаря высокой твёрдости алмаз используется для изготовления буров, свёрл, шлифовальных инструментов, стеклорезов, хотя в сознании большинства это камень ювелиров, которые используют отшлифованные алмазы, называемые бриллиантами (рис. 12).

Рис. 12. Большая императорская корона российских монархов с 4936 бриллиантами весом в 2858 каратов

В России особую пышность и блеск приобрели бриллиантовые украшения при Екатерине II. Достаточно вспомнить портрет члена государственного совета «бриллиантового князя» А. Б. Куракина работы В. Боровиковского (рис. 13).

Рис. 13. В. Л. Боровиковский. Портрет вице-канцлера князя А. Б. Куракина. 1801—1802

      ...Под ним Казбек, как грань алмаза,
      Снегами вечными сиял...

/М. Лермонтов/

Массу драгоценных камней выражают в особых единицах — каратах. Откуда взялась эта странная единица? В пустынных районах Аравийского полуострова растёт удивительное дерево под названием царьградский рожок — по-латыни caratina silikva. Косточки плодов этих деревьев всегда имеют одну и ту же массу — 0,2 г. Именно с помощью этих косточек ювелиры и взвешивали драгоценные камни, а единицу их массы назвали каратом — по латинскому наименованию дерева.

В атомной кристаллической решётке другой аллотропной модификации углерода — графита (рис. 14) — атомы, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Связи между слоями непрочны, поэтому графит мягок. Но, так же как алмаз, он тугоплавок. Из графита изготавливают электроды, твёрдые смазки, стержни для карандашей, замедлители нейтронов в ядерных реакторах.

Рис. 14. Атомная кристаллическая решётка графита

Атомные кристаллические решётки имеют не только простые, но и сложные вещества. Например, все разновидности оксида алюминия: наждак, корунд, рубин (рис. 15), сапфир.

Рис. 15. Рубиновая звезда на Боровицкой башне Московского Кремля (а всего их пять — на Боровицкой, Троицкой, Спасской, Никольской и Водовзводной башнях)

Наиболее распространённое в неживой природе соединение с атомной кристаллической решёткой — это оксид кремния (IV). Почти чистым диоксидом кремния является широко распространённый минерал кварц (рис. 16), встречающийся как в магматических, так и метаморфических породах (особенно в гранитах и гнейсах). Чистый кварц прозрачен и бесцветен.

Рис. 16. Кварц: а — атомная кристаллическая решётка; б —кристаллы природного кварца — горного хрусталя

Нередко встречаются окрашенные за счёт наличия примесей кристаллы розового, жёлтого, молочного, дымчатого цвета. По внешнему виду кристаллы кварца легко отличить от других минералов — шестигранная призма заканчивается трёхгранной пирамидой (рис. 16, б). Области применения кварца очень разнообразны. Чистый кварц используют при создании микросхем в радиоэлектронике, в косметологии, для создания строительных материалов (кварцевый песок — одна из составляющих бетона), разные виды минерала нашли поклонников среди ювелиров.

В следующем параграфе мы поговорим о металлической химической связи и её особенностях, о кристаллическом строении металлов и сплавов.

Теперь вы знаете

  • каков механизм образования ковалентной связи
  • что такое электроотрицательность
  • какие вещества образуют молекулярную кристаллическую решётку
  • какие вещества образуют атомную кристаллическую решётку

Теперь вы можете

  • объяснить, как образуется ковалентная химическая связь
  • дать формулировку электроотрицательности, записать ряд важнейших неметаллов в порядке увеличения их электроотрицательности
  • назвать два типа кристаллических решёток, характерных для веществ с ковалентной связью, привести примеры таких веществ

Выполните задания

  1. Запишите схему образования ковалентной связи для молекулы воды.
  2. Сформулируйте, какая ковалентная связь называется полярной, какая — неполярной, чем они отличаются.
  3. Объясните, можно ли говорить об ионной связи как о разновидности ковалентной. Аргументируйте свой ответ.
  4. Дайте характеристику таких модификаций углерода, как алмаз и графит, с точки зрения их строения и свойств.
  5. Сравните ионную кристаллическую решётку с молекулярной и атомной.

Темы для рефератов

  1. Сравнительная характеристика веществ с молекулярной и атомной кристаллическими решётками на примере твёрдого углекислого газа и графита.
  2. Алмаз как минерал, одна из кристаллических модификаций углерода.
  3. История знаменитого алмаза «Шах» (или «Эксельсиор», или «Куллинан»).
  4. Драгоценные камни (алмазы, рубины, сапфиры) в искусстве, литературе, музыке, кинофильмах.

Рейтинг@Mail.ru