Химия подготовка к зно и дпа комплексное издание. В молекуле фтора хим связь

Свободный фтор состоит из двухатомных молекул. С химической стороны фтор может быть охарактеризован как одновалентный неметалл, и притом самый активный из всех неметаллов. Обусловлено это рядом причин, в том числе легкостью распада молекулы F 2 на отдельные атомы - необходимая для этого энергия составляет лишь 159 кДж/моль (против 493 кДж/моль для О 2 и 242 кДж/моль для С 12). Атомы фтора обладают значительным сродством к электрону и сравнительно малыми размерами. Поэтому их валентные связи с атомами других элементов оказываются прочнее аналогичных связей прочих металлоидов (например, энергия связи Н-F составляет - 564 кДж/моль против 460 кДж/моль для связи Н-О и 431 кДж/моль для связи Н-С1).

Связь F-F характеризуется ядерным расстоянием 1,42 А. Для термической диссоциации фтора расчетным путем были получены следующие данные:

Атом фтора имеет в основном состоянии структуру внешнего электронного слоя 2s 2 2p 5 и одновалентен. Связанное с переводом одного 2р-элсктрона на уровень 3s возбуждение трехвалентного состояния требует затраты 1225 кДж/моль и практически не реализуется.

Сродство нейтрального атома фтора к электрону оценивается в 339 кДж/моль. Ион F - характеризуется эффективным радиусом 1,33 А и энергией гидратации 485 кДж/моль. Для ковалентного радиуса фтора обычно принимается значение 71 пм (т. е. половина межъядерного расстояния в молекуле F 2).

Химическая связь - электронный феномен, заключающийся в том, что, по крайней мере, один электрон, находившийся в силовом поле своего ядра, оказывается в силовом поле другого ядра или нескольких ядер одновременно.

Большинство простых веществ и все сложные вещества (соединения) состоят из атомов, определенным образом взаимодействующих друг с другом. Иными словами, между атомами устанавливается химическая связь. При образовании химической связи энергия всегда выделяется, т. е. энергия образующейся частицы должна быть меньше суммарной энергии исходных частиц.

Переход электрона от одного атома к другому, в результате чего образуются разноименно заряженные ионы с устойчивыми электронными конфигурациями, между которыми устанавливается электростатическое притяжение, является простейшей моделью ионной связи:

X → X + + e - ; Y + e - → Y - ; X + Y -

Другой моделью связи является обобществление электронов двумя атомами, в результате чего также образуются устойчивые электронные конфигурации. Такая связь называется ковалентной ее теорию в 1916 г. начал разрабатывать американский ученый Г. Льюис.

Общим моментом в обеих теориях было образование частиц с устойчивой электронной конфигурацией, совпадающей с электронной конфигурацией благородного газа.

Например, при образовании фторида лития реализуется ионный механизм образования связи. Атом лития (3 Li 1s 2 2s 1) теряет электрон и превращается в катион (3 Li + 1s 2) с электронной конфигурацией гелия. Фтор (9 F 1s 2 2s 2 2p 5) принимает электрон, образуя анион (9 F - 1s 2 2s 2 2p 6) c электронной конфигурацией неона. Между ионом лития Li + и ионом фтора F - возникает электростатическое притяжение, за счет чего образуется новое соединение - фторид лития.

При образовании фтороводорода единственный электрон атома водорода (1s) и неспаренный электрон атома фтора (2p) оказываются в поле действия обоих ядер - атома водорода и атома фтора. Таким образом возникает общая электронная пара, что означает перераспределение электронной плотности и возникновение максимума электронной плотности. В результате с ядром атома водорода теперь связаны два электрона (электронная конфигурация атома гелия), а с ядром фтора - восемь электронов внешнего энергетического уровня (электронная конфигурация атома неона):

Связь, осуществляемая посредством одной электронной пары, называется одинарной связью.

Тенденция к образованию устойчивой восьмиэлектронной оболочки путем перехода электрона от одного атома к другому (ионная связь) или обобществления электронов (ковалентная связь) называется правилом октета.

Существуют, однако, соединения, не отвечающие этому правилу. Например, атом бериллия во фториде бериллия BeF 2 имеет только четырехэлектронную оболочку; шести электронные оболочки характерны для атома бора (точками обозначены электроны внешнего энергетического уровня):

В большинстве соединений d-элементов правило октета также не соблюдается.

Во всех представленных выше примерах химическая связь образуется между атомами различных элементов; она называется гетероатомной. Однако ковалентная связь может образоваться и между одинаковыми атомами. Например, молекула водорода образуется за счет обобществления 15 электронов каждого атома водорода, в результате чего каждый атом приобретает устойчивую электронную конфигурацию из двух электронов. Октет образуется при образовании молекул остальных простых веществ, например фтора:

Образование химической связи может осуществляться также путем обобществления четырех или шести электронов. В первом случае образуется двойная связь, представляющая собой две обобщенные пары электронов, во втором - тройная связь (три обобщенные электронные пары).

Например, при образовании молекулы азота N 2 химическая связь образуется путем обобществления шести электронов: по три неспаренных p электрона от каждого атома. Для достижения восьмиэлектронной конфигурации образуются три общие электронные пары:

Двойная связь обозначается двумя черточками, тройная - тремя. Молекулу азота N 2 можно представить следующим образом: N≡N.

В двухатомных молекулах, образованных атомами одного элемента, максимум электронной плотности находится на середине межъядерной линии. Поскольку разделения зарядов между атомами не происходит, такая разновидность ковалентной связи получила название неполярной. Гетероатомная связь всегда является в той или иной степени полярной, так как максимум электронной плотности смещен в сторону одного из атомов, за счет чего он приобретает частичный отрицательный заряд (обозначается σ-). Атом, от которого смещен максимум электронной плотности, приобретает частичный положительный заряд (обозначается σ+). Электронейтральные частицы, в которых центры частичного отрицательного и частичного положительного зарядов не совпадают в пространстве, называются диполями. Полярность связи измеряется дипольным моментом (μ), который прямо пропорционален величине зарядов и расстоянию между ними.

Рис. Схематическое изображение диполя

Список использованной литературы

1. Попков В. А. , Пузаков С. А. Общая химия: учебник. - М.: ГЭОТАР-Медия, 2010. - 976 с.: ISBN 978-5-9704-1570-2. [с. 32-35]

В 1916 г. были предложены первые предельно упрощенные теории строения молекул, в которых использовались электронные представления: теория американского физикохимика Г.Льюиса (1875-1946) и немецкого ученого В.Косселя. По теории Льюиса в образовании химической связи у двухатомной молекулы участвуют валентные электроны сразу двух атомов. Поэтому, например, в молекуле водорода вместо валентного штриха стали рисовать электронную пару, образующую химическую связь:

Химическую связь, образованную электронной парой, называют ковалентной связью. Молекулу фтористого водорода изображают так:

Отличие молекул простых веществ (H2, F2, N2, O2) от молекул сложных веществ (HF, NO, H2O, NH3) состоит в том, что первые не имеют дипольного момента, а вторые - имеют. Дипольный момент m определяется как произведение абсолютной величины заряда q на расстояние между двумя противоположными зарядами r:

Дипольный момент m двухатомной молекулы можно определить двумя способами. Во-первых, поскольку молекула электронейтральна, то известен суммарный положительный заряд молекулы Z" (он равен сумме зарядов ядер атомов: Z" = ZA + ZB). Зная межъядерное расстояние re, можно определить местоположение центра тяжести положительного заряда молекулы. Значение m молекулы находят из эксперимента. Поэтому можно найти r" - расстояние между центрами тяжести положительного и суммарного отрицательного заряда молекулы:

Во-вторых, можно считать, что при смещении электронной пары, образующей химическую связь, к одному из атомов, на этом атоме появляется некоторый избыточный отрицательный заряд -q" и заряд +q" возникает у второго атома. Расстояние между атомами равно re:

Дипольный момент молекулы HF равен 6.4Ч 10-30 КлЧ м, межъядерное расстояние H-F равно 0.917Ч 10-10 м. Расчет q" дает: q" = 0.4 элементарного заряда (т.е. заряда электрона). Раз на атоме фтора появился избыточный отрицательный заряд, значит электронная пара, образующая химическую связь в молекуле HF, смещена к атому фтора. Такая химическая связь называется ковалентной полярной связью. Молекулы типа A2 дипольного момента не имеют. Образующие эти молекулы химические связи называются ковалентными неполярными связями .

Теория Косселя была предложена для описания молекул, образованных активными металлами (щелочными и щелочноземельными) и активными неметаллами (галогенами, кислородом, азотом). Внешние валентные электроны у атомов металлов наиболее далеко удалены от ядра атома и поэтому сравнительно слабо удерживаются атомом металла. У атомов химических элементов, расположенных в одном и том же ряду Периодической системы, при переходе слева направо заряд ядра все время возрастает, а дополнительные электроны располагаются в том же самом электронном слое. Это приводит к тому, что внешняя электронная оболочка сжимается и электроны все более прочно удерживаются в атоме. Поэтому в молекуле MeX появляется возможность слабо удерживаемый внешний валентный электрон металла переместить с затратой энергии, равной потенциалу ионизации, в валентную электронную оболочку атома неметалла с выделением энергии, равной сродству к электрону. В результате образуются два иона: Me+ и X-. Электростатическое взаимодействие этих ионов и является химической связью. Такой тип связи назвали ионной .

Если определить дипольные моменты молекул MeX в парах, то окажется, что заряд с атома металла не переходит полностью к атому неметалла, и химическая связь в таких молекулах лучше описывается как ковалентная сильно полярная связь. Положительные катионы металлов Ме+ и отрицательные анионы атомов неметаллов Х- обычно существуют в узлах кристаллической решетки кристаллов этих веществ. Но в этом случае каждый положительный ион металла прежде всего электростатически взаимодействует с ближайшими к нему анионами неметаллов, потом с катионами металлов и т.д. То есть в ионных кристаллах химические связи делокализованы и каждый ион в конечном итоге взаимодействует со всеми остальными ионами, входящими в кристалл, который и представляет собой гигантскую молекулу.

Наряду с четко определенными характеристиками атомов, такими как заряды ядер атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону, в химии используются и менее определенные характеристики. Одной из них является электроотрицательность. Она была введена в науку американским химиком Л.Полингом. Сначала рассмотрим для элементов первых трех периодов данные о первом потенциале ионизации и о сродстве к электрону.

Закономерности в потенциалах ионизации и сродство к электрону полностью объясняются структурой валентных электронных оболочек атомов. Cродство к электрону у изолированного атома азота гораздо меньше, чем у атомов щелочных металлов, хотя азот - это активный неметалл. Именно в молекулах при взаимодействии с атомами других химических элементов азот доказывает, что он - активный неметалл. Это и пытался сделать Л.Полинг, вводя "электроотрицательность" как способность атомов химических элементов смещать к себе электронную пару при образовании ковалентных полярных связей . Шкала электроотрицательности для химических элементов была предложена Л.Полингом. Наибольшую электротрицательность в условных безразмерных единицах он приписал фтору - 4,0 кислороду - 3.5, хлору и азоту - 3.0, брому - 2.8. Характер изменения электроотрицательности у атомов полностью отвечают тем закономерностям, которые выражены в Периодической системе. Поэтому применение понятия "электроотрицательность " просто переводит на другой язык те закономерности в изменении свойств металлов и неметаллов, которые уже отражены в Периодической системе.

Многие металлы в твердом состоянии представляют собой почти идеально образованные кристаллы . В узлах кристаллической решетки в кристалле расположены атомы или положительные ионы металлов. Электроны тех атомов металлов, из которых образовались положительные ионы, в виде электронного газа находятся в пространстве между узлами кристаллической решетки и принадлежат всем атомам и ионам. Именно они определяют характерный металлический блеск, высокую электропроводность и теплопроводность металлов. Тип химической связи, которую осуществляют обобществленные электроны в кристалле металла, называется металлической связью .

В 1819 г. французские ученые П.Дюлонг и А.Пти экспериментально установили, что мольная теплоемкость почти всех металлов в кристаллическом состоянии равна 25 Дж/моль. Сейчас мы легко можем объяснить, почему это так. Атомы металлов в узлах кристаллической решетки все время находятся в движении - совершают колебательные движения. Это сложное движение можно разложить на три простых колебательных движения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждому колебательному движению соответствует своя энергия и свой закон ее изменения с ростом температуры - своя теплоемкость. Предельное значение теплоемкости для любого колебательного движения атомов равняется R - Универсальной газовой постоянной. Трем независимым колебательным движениям атомов в кристалле будет соответствовать теплоемкость, равная 3R. При нагревании металлов, начиная с очень низких температур, их теплоемкость растет от нулевого значения. При комнатной и более высокой температуре значение теплоемкости большинства металлов выходит на свое максимальное значение - 3R.

При нагревании кристаллическая решетка металлов разрушается и они переходят в расплавленное состояние. При дальнейшем нагревании металлы испаряются. В парах многие металлы существуют в виде молекул Me2. В этих молекулах атомы металла способны образовывать ковалентные неполярные связи.

Фтор - химический элемент (символ F, атомный номер 9), неметалл, который относится к группе галогенов. Это самое активное и электроотрицательное вещество. При нормальной температуре и давлении молекула фтора является бледно-желтого цвета с формулой F 2 . Как и другие галоиды, молекулярный фтор очень опасен и при контакте с кожей вызывает тяжелые химические ожоги.

Использование

Фтор и его соединения широко применяются, в т. ч. и для получения фармацевтических препаратов, агрохимикатов, горюче-смазочных материалов и текстиля. используется для травления стекла, а плазма из фтора - для производства полупроводниковых и других материалов. Низкие концентрации ионов F в зубной пасте и питьевой воде могут помочь предотвратить кариес зубов, в то время как более высокие концентрации входят в состав некоторых инсектицидов. Многие общие анестетики представляют собой производные фторуглеводородов. Изотоп 18 F является источником позитронов для получения медицинских изображений методом позитронно-эмиссионной томографии, а гексафторид урана используется для разделения изотопов урана и получения для атомных электростанций.

История открытия

Минералы, содержащие соединения фтора, были известны за много лет до выделения этого химического элемента. Например, минерал плавиковый шпат (или флюорит), состоящий из фторида кальция, был описан в 1530 г. Георгием Агриколой. Он заметил, что его можно использовать в качестве флюса - вещества, которое помогает снизить температуру плавления металла или руды и помогает очистить нужный металл. Поэтому фтор название свое латинское название получил от слова fluere («течь»).

В 1670 году стеклодув Генрих Шванхард обнаружил, что стекло травится под действием фтористого кальция (плавикового шпата), обработанного кислотой. Карл Шееле и многие более поздние исследователи, в том числе Гемфри Дэви, Жозеф-Луи Гей-Люссак, Антуан Лавуазье, Луи Тенар, экспериментировали с плавиковой кислотой (HF), которую было несложно получить путем обработки CaF концентрированной серной кислотой.

В конце концов, стало понятно, что HF содержит ранее неизвестный элемент. Это вещество, однако, из-за его чрезмерной реактивности в течение многих лет выделить не удавалось. Его не только трудно отделить от соединений, но оно тут же вступает в реакцию с другими их компонентами. Выделение элементарного фтора из плавиковой кислоты чрезвычайно опасно, и ранние попытки ослепили и убили нескольких ученых. Эти люди стали известны как «мученики фтора».

Открытие и производство

Наконец, в 1886 году французскому химику Анри Муассану удалось выделить фтор путем электролиза смеси расплавленных фторидов калия и плавиковой кислоты. За это он был удостоен Нобелевской премии 1906 года в области химии. Его электролитический подход продолжает использоваться сегодня для промышленного получения данного химического элемента.

Первое масштабное производство фтора началось во время Второй мировой войны. Он требовался для одного из этапов создания атомной бомбы в рамках Манхэттенского проекта. Фтор использовался для получения гексафторида урана (UF 6), который, в свою очередь, применялся для отделения друг от друга двух изотопов 235 U и 238 U. Сегодня газообразный UF 6 необходим для получения обогащенного урана для ядерной энергетики.

Важнейшие свойства фтора

В периодической таблице элемент находится в верхней части 17 группы (бывшая группа 7А), которую называют галогенной. К другим галогенам относятся хлор, бром, йод и астат. Кроме того, F находится во втором периоде между кислородом и неоном.

Чистый фтор - это коррозионный газ (химическая формула F 2) с характерным резким запахом, который обнаруживается в концентрации 20 нл на литр объема. Как наиболее реактивный и электроотрицательный из всех элементов, он легко образует соединения с большинством из них. Фтор слишком реактивный, чтобы существовать в элементарной форме и имеет такое сродство с большинством материалов, включая кремний, что его нельзя готовить или хранить в стеклянных емкостях. Во влажном воздухе он реагирует с водой, образуя не менее опасную плавиковую кислоту.

Фтор, взаимодействуя с водородом, взрывается даже при низкой температуре и в темноте. Он бурно реагирует с водой, образуя плавиковую кислоту и газообразный кислород. Различные материалы, в том числе мелкодисперсные металлы и стекла, в струе газообразного фтора горят ярким пламенем. Кроме того, данный химический элемент образует соединения с благородными газами криптоном, ксеноном и радоном. Однако непосредственно с азотом и кислородом он не реагирует.

Несмотря на крайнюю активность фтора, сегодня стали доступны методы его безопасной обработки и транспортировки. Элемент может храниться в емкостях из стали или монеля (богатого никелем сплава), так как на поверхности этих материалов образуются фториды, которые препятствуют дальнейшей реакции.

Фториды - это вещества, в которых фтор присутствует в виде отрицательно заряженного иона (F -) в сочетании с некоторыми положительно заряженными элементами. Соединения фтора с металлами являются одними из наиболее стабильных солей. При растворении в воде они делятся на ионы. Другими формами фтора являются комплексы, например, - , и H 2 F + .

Изотопы

Существует множество изотопов данного галогена, начиная от 14 F и заканчивая 31 F. Но изотопный состав фтора включает только один из них, 19 F, который содержит 10 нейтронов, так как только он является стабильным. Радиоактивный изотоп 18 F - ценный источник позитронов.

Биологическое воздействие

Фтор в организме в основном содержится в костях и зубах в виде ионов. Фторирование питьевой воды в концентрации менее одной части на миллион значительно снижает частоту кариеса - так считают в Национальном исследовательском совете Национальной академии наук США. С другой стороны, избыточное накопление фтора может привести к флюорозу, который проявляется в крапчатости зубов. Этот эффект обычно наблюдается в местностях, где содержание данного химического элемента в питьевой воде превышает концентрацию 10 промилле.

Элементарный фтор и фтористые соли токсичны и с ними следует обходиться с большой осторожностью. Контакта с кожей или глазами следует тщательно избегать. Реакция с кожным покровом производит которая быстро проникает через ткани и реагирует с кальцием в костях, повреждая их навсегда.

Фтор в окружающей среде

Ежегодная мировая добыча минерала флюорита составляет около 4 млн т, а общая мощность разведанных месторождений находится в пределах 120 млн т. Основными районами добычи этого минерала являются Мексика, Китай и Западная Европа.

В природе фтор встречается в земной коре, где его можно найти в горных породах, угле и глине. Фториды попадают в воздух при ветровой эрозии почв. Фтор является 13-м по распространенности химическим элементом в земной коре - его содержание равно 950 промилле. В почвах его средняя концентрация - примерно 330 промилле. Фтороводород может выделяться в воздух в результате процессов горения в промышленности. Фториды, которые находятся в воздухе, в конечном итоге выпадают на землю или в воду. Когда фтор образует связь с очень мелкими частицами, то может оставаться в воздухе в течение длительного периода времени.

В атмосфере 0,6 миллиардных долей данного химического элемента присутствуют в виде солевого тумана и органических соединений хлора. В городских условиях концентрация достигает 50 частей на миллиард.

Соединения

Фтор - это химический элемент, который образует широкий спектр органических и неорганических соединений. Химики могут заменить им атомы водорода, тем самым создавая множество новых веществ. Высокореактивный галоген образует соединения с благородными газами. В 1962 году Нил Бартлетт синтезировал гексафторплатинат ксенона (XePtF6). Фториды криптона и радона также были получены. Еще одним соединением является фторгидрид аргона, устойчивый лишь при экстремально низких температурах.

Промышленное применение

В атомарном и молекулярном состоянии фтор используется для плазменного травления в производстве полупроводников, плоских дисплеев и микроэлектромеханических систем. Плавиковая кислота применяется для травления стекла в лампах и других изделиях.

Наряду с некоторыми из его соединений, фтор - это важная составляющая производства фармацевтических препаратов, агрохимикатов, горюче-смазочных материалов и текстиля. Химический элемент необходим для получения галогенированных алканов (галоны), которые, в свою очередь, широко использовались в системах кондиционирования воздуха и охлаждения. Позже такое применение хлорфторуглеродов было запрещено, поскольку они способствуют разрушению озонового слоя в верхних слоях атмосферы.

Гексафторид серы - чрезвычайно инертный, нетоксичный газ, относящийся к веществам, вызывающим парниковый эффект. Без фтора невозможно производство пластмасс с низким коэффициентом трения, таких как тефлон. Многие анестетики (например, севофлуран, десфлуран и изофлуран) являются производными фторуглеводородов. Гексафторалюминат натрия (криолит) применяется в электролизе алюминия.

Соединения фтора, в том числе NaF, используются в зубных пастах для предотвращения кариеса. Эти вещества добавляются в системы муниципального водоснабжения для фторирования воды, однако из-за воздействия на здоровье человека эта практика считается спорной. При более высоких концентрациях NaF используются в качестве инсектицида, особенно для борьбы с тараканами.

В прошлом фториды применялись для снижения и руд и повышения их текучести. Фтор - это важный компонент производства гексафторида урана, который применяется для разделения его изотопов. 18 F, радиоактивный изотоп с 110 минут, излучает позитроны и часто используется в медицинской позитронно-эмиссионной томографии.

Физические свойства фтора

Базовые характеристики химического элемента следующие:

• Атомная масса 18,9984032 г/моль.
• Электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 5 .
• Степень окисления -1.
• Плотность 1,7 г/л.
• Температура плавления 53,53 К.
• Температура кипения 85,03 К.
• Теплоемкость 31,34 Дж/(К·моль).

Химические частицы, образованные из двух или нескольких атомов, называются молекулами (реальными или условными формульными единицами многоатомных веществ). Атомы в молекулах химически связаны.

Под химической связью понимают электрические силы притяжения, удерживающие частицы друг около друга. Каждая химическая связь в структурных формулах представляется валентной чертой, например:

H – H (связь между двумя атомами водорода);

H 3 N – Н + (связь между атомом азота молекулы аммиака и катионом водорода);

(К +) – (I -) (связь между катионом калия и иодид-ионом).

Химическая связь образуется парой электронов (), которая в электронных формулах сложных частиц (молекул, сложных ионов) обычно заменяется валентной чертой, в отличие от собственных, неподеленных электронных пар атомов, например:

Химическая связь называется ковалентной, если она образована путем обобществления пары электронов обоими атомами.

В молекуле F 2 оба атома фтора имеют одинаковую электроотрицательность, следовательно, обладание электронной парой для них одинаково. Такую химическую связь называют неполярной, так как у каждого атома фтора электронная плотность одинакова и в электронной формуле молекулы может быть условно разделена между ними поровну:

В молекуле хлороводорода НСl химическая связь уже полярная, так как электронная плотность на атоме хлора (элемента с большей электроотрицательностью) значительно выше, чем на атоме водорода:

Ковалентная связь, например Н – Н, может быть образована путем обобществления электронов двух нейтральных атомов:

H · + · H > H – H

Такой механизм образования связи называется обменным или равноценным.

По другому механизму та же ковалентная связь H – H возникает при обобществлении электронной пары гидрид-иона H катионом водорода Н + :

H + + (:H) - > H – H

Катион Н + в этом случае называют акцептором, а анион Н – донором электронной пары. Механизм образования ковалентной связи при этом будет донорно-акцепторным, или координационным.

Одинарные связи (Н – Н, F – F, Н – CI, Н – N) называются а-связями, они определяют геометрическую форму молекул.

Двойные и тройные связи () содержат одну?-составляющую и одну или две?-составляющие; ?-составляющая, являющаяся основной и условно образующаяся первой, всегда прочнее?-составляющих.

Физическими (реально измеряемыми) характеристиками химической связи являются ее энергия, длина и полярность.

Энергия химической связи (Е св) – это теплота, которая выделяется при образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв. Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда слабее , чем кратная (двойная, тройная).

Длина химической связи (l св) – межъядерное расстояние. Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда длиннее , чем кратная.

Полярность связи измеряется электрическим дипольным моментом р – произведением реального электрического заряда (на атомах данной связи) на длину диполя (т. е. длину связи). Чем больше дипольный момент, тем выше полярность связи. Реальные электрические заряды на атомах в ковалентной связи всегда меньше по значению, чем степени окисления элементов, но совпадают по знаку; например, для связи H +I -Cl -I реальные заряды равны Н +0 " 17 -Сl -0 " 17 (двухполюсная частица, или диполь).

Полярность молекул определяется их составом и геометрической формой.

Неполярными (р = O) будут:

а) молекулы простых веществ, так как они содержат только неполярные ковалентные связи;

б) многоатомные молекулы сложных веществ, если их геометрическая форма симметрична.

Например, молекулы СО 2 , BF 3 и СН 4 имеют следующие направления равных (по длине) векторов связей:

При сложении векторов связей их сумма всегда обращается в нуль, и молекулы в целом неполярны, хотя и содержат полярные связи.

Полярными (р > O) будут:

а) двухатомные молекулы сложных веществ, так как они содержат только полярные связи;

б) многоатомные молекулы сложных веществ, если их строение асимметрично, т. е. их геометрическая форма либо незавершенная, либо искаженная, что приводит к появлению суммарного электрического диполя, например у молекул NH 3 , Н 2 О, HNО 3 и HCN.

Сложные ионы, например NH 4 + , SO 4 2- и NO 3 - , не могут быть диполями в принципе, они несут только один (положительный или отрицательный) заряд.

Ионная связь возникает при электростатическом притяжении катионов и анионов почти без обобществления пары электронов, например между К + и I - . У атома калия – недостаток электронной плотности, у атома иода – избыток. Такую связь считают предельным случаем ковалентной связи, поскольку пара электронов находится практически во владении у аниона. Такая связь наиболее характерна для соединений типичных металлов и неметаллов (CsF, NaBr, CaO, K 2 S, Li 3 N) и веществ класса солей (NaNО 3 , K 2 SО 4 , СаСО 3). Все эти соединения при комнатных условиях представляют собой кристаллические вещества, которые объединяют общим названием ионные кристаллы (кристаллы, построенные из катионов и анионов).

Известен еще один вид связи, называемой металлической связью, в которой валентные электроны так непрочно удерживаются атомами металлов, что фактически не принадлежат конкретным атомам.

Атомы металлов, оставшиеся без четко принадлежащих им внешних электронов, становятся как бы положительными ионами. Они образуют металлическую кристаллическую решетку. Совокупность обобществленных валентных электронов (электронный газ) удерживает положительные ионы металла вместе и в определенных узлах решетки.

Помимо ионных и металлических кристаллов существуют еще атомные и молекулярные кристаллические вещества, в узлах решеток которых находятся атомы или молекулы соответственно. Примеры: алмаз и графит – кристаллы с атомной решеткой, иод I 2 и диоксид углерода СO 2 (сухой лед) – кристаллы с молекулярной решеткой.

Химические связи существуют не только внутри молекул веществ, но могут образовываться и между молекулами, например для жидкого HF, воды Н 2 O и смеси H 2 O + NH 3:

Водородная связь образуется за счет сил электростатического притяжения полярных молекул, содержащих атомы самых электроотрицательных элементов – F, О, N. Например, водородные связи имеются в HF, Н 2 O и NH 3 , но их нет в HCl, H 2 S и РН 3 .

Водородные связи малоустойчивы и разрываются довольно легко, например при плавлении льда и кипении воды. Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления (табл. 5) и кипения веществ с водородными связями

(например, HF и Н 2 O) оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей (например, HCl и H 2 S соответственно).

Многие органические соединения также образуют водородные связи; важную роль водородная связь играет в биологических процессах.

1. Вещества только с ковалентными связями – это

1) SiH 4 , Сl 2 O, СаВr 2

2) NF 3 , NH 4 Cl, P 2 O 5

3) CH 4 , HNO 3 , Na(CH 3 O)

4) CCl 2 O, I 2 , N 2 O

2–4. Ковалентная связь

2. одинарная

3. двойная

4. тройная

присутствует в веществе

5. Кратные связи имеются в молекулах

6. Частицы, называемые радикалами, – это

7. Одна из связей образована по донорно-акцепторному механизму в наборе ионов

1) SO 4 2- , NH 4 +

2) H 3 O + , NH 4 +

3) PO 4 3- , NO 3 -

4) PH 4 + , SO 3 2-

8. Наиболее прочная и короткая связь – в молекуле

9. Вещества только с ионными связями – в наборе

2) NH 4 Cl, SiCl 4

10–13. Кристаллическая решетка вещества

13. Ва(ОН) 2

1) металлическая

Темы кодификатора ЕГЭ: Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Внутримолекулярные химические связи

Сначала рассмотрим связи, которые возникают между частицами внутри молекул. Такие связи называют внутримолекулярными .

Химическая связь между атомами химических элементов имеет электростатическую природу и образуется за счет взаимодействия внешних (валентных) электронов , в большей или меньшей степени удерживаемых положительно заряженными ядрами связываемых атомов.

Ключевое понятие здесь – ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ . Именно она определяет тип химической связи между атомами и свойства этой связи.

– это способность атома притягивать (удерживать) внешние (валентные) электроны . Электроотрицательность определяется степенью притяжения внешних электронов к ядру и зависит, преимущественно, от радиуса атома и заряда ядра.

Электроотрицательность сложно определить однозначно. Л.Полинг составил таблицу относительных электроотрицательностей (на основе энергий связей двухатомных молекул). Наиболее электроотрицательный элемент – фтор со значением 4 .

Важно отметить, что в различных источниках можно встретить разные шкалы и таблицы значений электроотрицательности. Этого не стоит пугаться, поскольку при образовании химической связи играет роль атомов, а она примерно одинакова в любой системе.

Если один из атомов в химической связи А:В сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается к нему. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем сильнее смещается электронная пара.

Если значения электроотрицательностей взаимодействующих атомов равны или примерно равны: ЭО(А)≈ЭО(В) , то общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов: А: В . Такая связь называется ковалентной неполярной.

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются, но не сильно (разница электроотрицательностей примерно от 0,4 до 2: 0,4<ΔЭО<2 ), то электронная пара смещается к одному из атомов. Такая связь называется ковалентная полярная .

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются существенно (разница электроотрицательностей больше 2: ΔЭО>2 ), то один из электронов практически полностью переходит к другому атому, с образованием ионов . Такая связь называется ионная .

Основные типы химических связей — ковалентная , ионная и металлическая связи. Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная химическая связь

Ковалентная связь – этохимическая связь, образованная за счет образования общей электронной пары А:В . При этом у двух атомов перекрываются атомные орбитали. Ковалентная связь образуется при взаимодействии атомов с небольшой разницей электроотрицательностей (как правило, между двумя неметаллами ) или атомов одного элемента.

Основные свойства ковалентных связей

• направленность ,
• насыщаемость ,
• полярность ,
• поляризуемость .

Эти свойства связи влияют на химические и физические свойства веществ.

Направленность связи характеризует химическое строение и форму веществ. Углы между двумя связями называются валентными. Например, в молекуле воды валентный угол H-O-H равен 104,45 о, поэтому молекула воды — полярная, а в молекуле метана валентный угол Н-С-Н 108 о 28′.

Насыщаемость — это спосбность атомов образовывать ограниченное число ковалентных химических связей. Количество связей, которые способен образовывать атом, называется .

Полярность связи возникает из-за неравномерного распределения электронной плотности между двумя атомами с различной электроотрицательностью. Ковалентные связи делят на полярные и неполярные.

Поляризуемость связи — это способность электронов связи смещаться под действием внешнего электрического поля (в частности, электрического поля другой частицы). Поляризуемость зависит от подвижности электронов. Чем дальше электрон находится от ядра, тем он более подвижен, соответственно и молекула более поляризуема.

Ковалентная неполярная химическая связь

Существует 2 вида ковалентного связывания – ПОЛЯРНЫЙ и НЕПОЛЯРНЫЙ .

Пример . Рассмотрим строение молекулы водорода H 2 . Каждый атом водорода на внешнем энергетическом уровне несет 1 неспаренный электрон. Для отображения атома используем структуру Льюиса – это схема строения внешнего энергетического уровня атома, когда электроны обозначаются точками. Модели точечных структур Люьиса неплохо помогают при работе с элементами второго периода.

H . + . H = H:H

Таким образом, в молекуле водорода одна общая электронная пара и одна химическая связь H–H. Эта электронная пара не смещается ни к одному из атомов водорода, т.к. электроотрицательность у атомов водорода одинаковая. Такая связь называется ковалентной неполярной .

Ковалентная неполярная (симметричная) связь – это ковалентная связь, образованная атомами с равной элетроотрицательностью (как правило, одинаковыми неметаллами) и, следовательно, с равномерным распределением электронной плотности между ядрами атомов.

Дипольный момент неполярных связей равен 0.

Примеры : H 2 (H-H), O 2 (O=O), S 8 .

Ковалентная полярная химическая связь

Ковалентная полярная связь – это ковалентная связь, которая возникает между атомами с разной электроотрицательностью (как правило, разными неметаллами ) и характеризуется смещением общей электронной пары к более электроотрицательному атому (поляризацией).

Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому – следовательно, на нем возникает частичный отрицательный заряд (δ-), а на менее электроотрицательном атоме возникает частичный положительный заряд (δ+, дельта +).

Чем больше различие в электроотрицательностях атомов, тем выше полярность связи и тем больше дипольный момент . Между соседними молекулами и противоположными по знаку зарядами действуют дополнительные силы притяжения, что увеличивает прочность связи.

Полярность связи влияет на физические и химические свойства соединений. От полярности связи зависят механизмы реакций и даже реакционная способность соседних связей. Полярность связи зачастую определяет полярность молекулы и, таким образом, непосредственно влияет на такие физические свойства как температуре кипения и температура плавления, растворимость в полярных растворителях.

Примеры: HCl, CO 2 , NH 3 .

Механизмы образования ковалентной связи

Ковалентная химическая связь может возникать по 2 механизмам:

1. Обменный механизм образования ковалентной химической связи – это когда каждая частица предоставляет для образования общей электронной пары один неспаренный электрон:

А . + . В= А:В

2. образования ковалентной связи – это такой механизм, при котором одна из частиц предоставляет неподеленную электронную пару, а другая частица предоставляет вакантную орбиталь для этой электронной пары:

А: + B= А:В

При этом один из атомов предоставляет неподеленную электронную пару (донор ), а другой атом предоставляет вакантную орбиталь для этой пары (акцептор ). В результате образования связи оба энергия электронов уменьшается, т.е. это выгодно для атомов.

Ковалентная связь, образованная по донорно-акцепторному механизму, не отличается по свойствам от других ковалентных связей, образованных по обменному механизму. Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму характерно для атомов либо с большим числом электронов на внешнем энергетическом уровне (доноры электронов), либо наоборот, с очень малым числом электронов (акцепторы электронов). Более подробно валентные возможности атомов рассмотрены в соответствующей .

Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется:

– в молекуле угарного газа CO (связь в молекуле – тройная, 2 связи образованы по обменному механизму, одна – по донорно-акцепторному): C≡O;

– в ионе аммония NH 4 + , в ионах органических аминов , например, в ионе метиламмония CH 3 -NH 2 + ;

– в комплексных соединениях , химическая связь между центральным атомом и группами лигандов, например, в тетрагидроксоалюминате натрия Na связь между алюминием и гидроксид-ионами;

– в азотной кислоте и ее солях — нитратах: HNO 3 , NaNO 3 , в некоторых других соединениях азота;

– в молекуле озона O 3 .

Основные характеристики ковалентной связи

Ковалентная связь, как правило, образуется между атомами неметаллов. Основными характеристиками ковалентной связи являются длина, энергия, кратность и направленность.

Кратность химической связи

Кратность химической связи — это число общих электронных пар между двумя атомами в соединении . Кратность связи достаточно легко можно определить из значения атомов, образующих молекулу.

Например , в молекуле водорода H 2 кратность связи равна 1, т.к. у каждого водорода только 1 неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне, следовательно, образуется одна общая электронная пара.

В молекуле кислорода O 2 кратность связи равна 2, т.к. у каждого атома на внешнем энергетическом уровне есть по 2 неспаренных электрона: O=O.

В молекуле азота N 2 кратность связи равна 3, т.к. между у каждого атома по 3 неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне, и атомы образуют 3 общие электронные пары N≡N.

Длина ковалентной связи

Длина химической связи – это расстояние между центрами ядер атомов, образующих связь. Ее определяют экспериментальными физическими методами. Оценить величину длины связи можно примерно, по правилу аддитивности, согласно которому длина связи в молекуле АВ приблизительно равна полусумме длин связей в молекулах А 2 и В 2:

Длину химической связи можно примерно оценить по радиусам атомов , образующих связь, или по кратности связи , если радиусы атомов не сильно отличаются.

При увеличении радиусов атомов, образующих связь, длина связи увеличится.

Например

При увеличении кратности связи между атомами (атомные радиусы которых не отличаются, либо отличаются незначительно) длина связи уменьшится.

Например . В ряду: C–C, C=C, C≡C длина связи уменьшается.

Энергия связи

Мерой прочности химической связи является энергия связи. Энергия связи определяется энергией, необходимой для разрыва связи и удаления атомов, образующих эту связь, на бесконечно большое расстояние друг от друга.

Ковалентная связь является очень прочной. Ее энергия составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кДж/моль. Чем больше энергия связи, тем больше прочность связи, и наоборот.

Прочность химической связи зависит от длины связи, полярности связи и кратности связи. Чем длиннее химическая связь, тем легче ее разорвать, и тем меньше энергия связи, тем ниже ее прочность. Чем короче химическая связь, тем она прочнее, и тем больше энергия связи.

Например , в ряду соединений HF, HCl, HBr слева направо прочность химической связи уменьшается , т.к. увеличивается длина связи.

Ионная химическая связь

Ионная связь — это химическая связь, основанная на электростатическом притяжении ионов .

Ионы образуются в процессе принятия или отдачи электронов атомами. Например, атомы всех металлов слабо удерживают электроны внешнего энергетического уровня. Поэтому для атомов металлов характерны восстановительные свойства — способность отдавать электроны.

Пример . Атом натрия содержит на 3 энергетическом уровне 1 электрон. Легко отдавая его, атом натрия образует гораздо более устойчивый ион Na + , с электронной конфигурацией благородного газа неона Ne. В ионе натрия содержится 11 протонов и только 10 электронов, поэтому суммарный заряд иона -10+11 = +1:

+11Na ) 2 ) 8 ) 1 — 1e = +11Na +) 2 ) 8

Пример . Атом хлора на внешнем энергетическом уровне содержит 7 электронов. Чтобы приобрести конфигурацию стабильного инертного атома аргона Ar, хлору необходимо присоединить 1 электрон. После присоединения электрона образуется стабильный ион хлора, состоящий из электронов. Суммарный заряд иона равен -1:

+17Cl ) 2 ) 8 ) 7 + 1e = +17Cl — ) 2 ) 8 ) 8

Обратите внимание:

• Свойства ионов отличаются от свойств атомов!
• Устойчивые ионы могут образовывать не только атомы , но и группы атомов . Например: ион аммония NH 4 + , сульфат-ион SO 4 2- и др. Химические связи, образованные такими ионами, также считаются ионными;
• Ионную связь, как правило, образуют между собой металлы и неметаллы (группы неметаллов);

Образовавшиеся ионы притягиваются за счет электрического притяжения: Na + Cl — , Na 2 + SO 4 2- .

Наглядно обобщим различие между ковалентными и ионным типами связи :

Металлическая химическая связь

Металлическая связь — это связь, которую образуют относительно свободные электроны между ионами металлов , образующих кристаллическую решетку.

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно расположены от одного до трех электронов . Радиусы у атомов металлов, как правило, большие — следовательно, атомы металлов, в отличие от неметаллов, достаточно легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями

Межмолекулярные взаимо-действия

Отдельно стоит рассмотреть взаимодействия, возникающие между отдельными молекулами в веществе — межмолекулярные взаимодействия . Межмолекулярные взаимодействия — это такой вид взаимодействия между нейтральными атомами, при котором не появляеются новые ковалентные связи. Силы взаимодействия между молекулами обнаружены Ван-дер Ваальсом в 1869 году, и названы в честь него Ван-дар-Ваальсовыми силами . Силы Ван-дер-Ваальса делятся на ориентационные , индукционные и дисперсионные . Энергия межмолекулярных взаимодейстий намного меньше энергии химической связи.

Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.

Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи. — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N . Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения .

Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором — атомы водорода, соединенные с этими атомами. Для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость .

Водородную связь можно обозначать точками: Н ··· O. Чем больше электроотрицательность атома, соединенного с водородом, и чем меньше его размеры, тем крепче водородная связь . Она характерна прежде всего для соединений фтора с водородом , а также кислорода с водородом , в меньшей степени азота с водородом .

Водородные связи возникают между следующими веществами:

— фтороводород HF (газ, раствор фтороводорода в воде — плавиковая кислота), вода H 2 O (пар, лед, жидкая вода):

— раствор аммиака и органических аминов — между молекулами аммиака и воды;

— органические соединения, в которых связи O-H или N-H : спирты, карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, фенолы, анилин и его производные, белки, растворы углеводов — моносахаридов и дисахаридов.

Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение тепературы кипения.

Например , как правило, при повышении молекулярной массы наблюдается повышение температуры кипения веществ. Однако в ряду веществ H 2 O-H 2 S-H 2 Se-H 2 Te мы не наблюдаем линейное изменение температур кипения.

А именно, у воды температура кипения аномально высокая — не меньше -61 о С, как показывает нам прямая линия, а намного больше, +100 о С. Эта аномалия объясняется наличием водородных связей между молекулами воды. Следовательно, при обычных условиях (0-20 о С) вода является жидкостью по фазовому состоянию.

Атом, молекула, ядерные свойства

Строение атома фтора.

В центре атома находится положительное заряженное ядро. Вокруг вращаются 9 отрицательно заряженных электронов.

Электронная формула: 1s2;2s2;2p5

m прот. = 1,00783 (а.е.м.)

m нейтр.= 1,00866 (а.е.м.)

m протона = m электрона

Изотопы фтора.

Изотоп: 18F

Краткая характеристика: Распространённость в природе: 0 %

Число протонов в ядре - 9. Число нейтронов в ядре - 9. Число нуклонов - 18.Е связи = 931,5(9*m пр.+9*m нейтр-М(F18)) = 138,24 (МЭВ)Е удельн. = Е связи/N нуклонов = 7,81 (МЭВ/нукл.)

Альфа-распад невозможенБета минус-распад невозможенПозитронный распад: F(Z=9,M=18)-->O(Z=8,M=18)+e(Z=+1,M=0)+0,28(Мэв)Электронный захват: F(Z=9,M=18)+e(Z=-1,M=0)-->O(Z=8,M=18)+1,21(Мэв)

Изотоп: 19F

Краткая характеристика: Распространённость в природе: 100 %

Молекула фтора.

Свободный фтор состоит из двухатомных молекул. С химической стороны фтор может быть охарактеризован как одновалентный неметалл, и притом самый активный из всех неметаллов. Обусловлено это рядом причин, в том числе легкостью распада молекулы F2 на отдельные атомы - необходимая для этого энергия составляет лишь 159 кДж/моль (против 493 кДж/моль для О2 и 242 кДж/моль для С12). Атомы фтора обладают значительным сродством к электрону и сравнительно малыми размерами. Поэтому их валентные связи с атомами других элементов оказываются прочнее аналогичных связей прочих металлоидов (например, энергия связи Н-F составляет - 564 кДж/моль против 460 кДж/моль для связи Н-О и 431 кДж/моль для связи Н-С1).

Связь F-F характеризуется ядерным расстоянием 1,42 А. Для термической диссоциации фтора расчетным путем были получены следующие данные:

Температура, °С 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700

Степень диссоциации, % 5·10-3 0,3 4,2 22 60 88 97 99

Атом фтора имеет в основном состоянии структуру внешнего электронного слоя 2s22p5 и одновалентен. Связанное с переводом одного 2р-элсктрона на уровень 3s возбуждение трехвалентного состояния требует затраты 1225 кДж/моль и практически не реализуется. Сродство нейтрального атома фтора к электрону оценивается в 339 кДж/моль. Ион F- характеризуется эффективным радиусом 1,33 А и энергией гидратации 485 кДж/моль. Для ковалентного радиуса фтора обычно принимается значение 71 пм (т. е. половина межъядерного расстояния в молекуле F2).

Химические свойства фтора.

Так как фтористые производные м е т а л л о и д н ы х элементов обычно легколетучи образование их не предохраняет поверхность металлоида от дальнейшего действия фтора. Поэтому взаимодействие часто протекает значительно энергичнее, чем со многими металлами. Например, кремний, фосфор и сера воспламеняются в газообразном фторе. Аналогично ведет себя аморфный углерод (древесный уголь), тогда как графит реагирует лишь при температуре красного каления. С азотом и кислородом фтор непосредственно не соединяется.

От водородных соединений других элементов фтор отнимает водород. Большинство оксидов разлагается им с вытеснением кислорода. В частности, вода взаимодействует по схемеF2 + Н2О --> 2 НF + O

причем вытесняемые атомы кислорода соединяются не только друг с другом, но частично также с молекулами воды и фтора. Поэтому, помимо газообразного кислорода, при этой реакции всегда образуются пероксид водорода и оксид фтора (F2О). Последняя представляет собой бледно-желтый газ, похожий по запаху на озон.

Окись фтора (иначе - фтористый кислород - ОF2) может быть получена пропусканием фтора в 0,5 н. раствор NаОН. Реакция идет по уравнению:2 F2 + 2 NаОН = 2 NаF + Н2О + F2ОТак же для фтора характерны следующие реакции:

H2 + F2 = 2HF (со взрывом)