№4. Химическая связь и кристаллические решётки
Задание №4 проверяет, умеешь ли ты по формуле вещества назвать вид связи и тип кристаллической решётки. Главное здесь — не путать связь между атомами внутри сложного иона со связью между ионами: именно на этом построено большинство ловушек.
Химическая связь — это то, что удерживает атомы вместе. На экзамене различают четыре вида связи: ковалентную неполярную, ковалентную полярную, ионную и металлическую, а также особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородную связь. Определяют вид связи по тому, какие атомы соединены и как смещена общая электронная пара.
| Вид связи | Между какими атомами | Как образуется | Примеры |
|---|---|---|---|
| Ковалентная неполярная | атомами одного неметалла | общая электронная пара, смещения нет | H2, O2, N2, Cl2, P4, алмаз |
| Ковалентная полярная | атомами разных неметаллов | общая пара смещена к более электроотрицательному атому | HCl, H2O, NH3, CO2, H2SO4, SiO2 |
| Ионная | типичным металлом и неметаллом | электроны переходят от металла к неметаллу, ионы притягиваются | NaCl, CaO, K2SO4, NH4Cl, Na2O2 |
| Металлическая | атомами и катионами металла | обобществлённые электроны связывают катионы | Fe, Cu, Al, Na, сплавы |
| Водородная | молекулами, в которых водород связан с F, O или N | притяжение между H одной молекулы и F, O или N другой | H2O, HF, NH3, спирты, карбоновые кислоты |
Как определить вид связи по формуле. Смотрим, какие атомы соединены: два одинаковых неметалла — связь ковалентная неполярная; два разных неметалла — ковалентная полярная; металл и неметалл — ионная; только атомы металла — металлическая. В соли со сложным ионом связи разные одновременно: например, в Na2SO4 между ионами Na^+ и SO4^2− связь ионная, а внутри сульфат-иона между серой и кислородом — ковалентная полярная.
Cl2: Cl−Cl — ковалентная неполярная · HCl: H−Cl — ковалентная полярная · NaCl: Na^+ и Cl^− — ионная · Fe: металлическая
Теперь о строении вещества. Кристаллическая решётка — это упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Если в узлах решётки находятся ионы, решётка ионная; если атомы — атомная; если молекулы — молекулярная; если катионы металла, окружённые общим «морем» электронов, — металлическая. От типа решётки напрямую зависят свойства: температура плавления, твёрдость, растворимость и электропроводность.
| Тип решётки | Частицы в узлах | Примеры | Свойства |
|---|---|---|---|
| Ионная | ионы | NaCl, CaO, K2SO4, CaCO3 | твёрдые и тугоплавкие, растворяются в воде, растворы и расплавы проводят ток |
| Атомная | атомы | алмаз C, Si, Ge, SiO2, SiC, BN | очень твёрдые и тугоплавкие, практически нерастворимы, ток не проводят (исключение — графит) |
| Молекулярная | молекулы | лёд H2O, CO2, I2, O2, CH4, HCl | легкоплавкие и летучие, многие растворимы, растворы могут проводить ток |
| Металлическая | катионы металла и обобществлённые электроны | Fe, Cu, Al, Mg, сплавы | пластичные, тепло- и электропроводные, температура плавления разная |
Отдельно разберём водородную связь. Она возникает между атомом водорода одной молекулы и атомом фтора, кислорода или азота другой молекулы. Такая связь в десять-двадцать раз слабее ковалентной, но именно она объясняет высокие температуры кипения воды, фтороводорода и спиртов по сравнению с похожими по массе веществами. Чтобы водородная связь была, в молекуле нужна группа H−F, H−O или H−N: у метаналя HCHO водород связан с углеродом, и водородных связей нет, а у метановой кислоты HCOOH есть группа O−H, поэтому её молекулы связаны.
- Шаг 1. Посмотри на формулу и определи, какие элементы в неё входят: только неметаллы, металл и неметалл или только металл.
- Шаг 2. Для каждой пары соседних атомов определи вид связи: одинаковые неметаллы — неполярная, разные неметаллы — полярная, металл с неметаллом — ионная.
- Шаг 3. Если в веществе есть сложный ион, разбирай его отдельно: внутри иона связь ковалентная полярная, а между ионами — ионная.
- Шаг 4. Определи тип решётки по частицам: ионы — ионная, атомы — атомная, молекулы — молекулярная, металл — металлическая.
- Шаг 5. Водородную связь ищи только там, где водород соединён с фтором, кислородом или азотом; один лишь атом кислорода в молекуле её не даёт.
- Шаг 6. Проверь вывод по свойствам: тугоплавкое и твёрдое вещество — скорее атомная или ионная решётка, легкоплавкое и летучее — молекулярная.
Типичные ошибки. 1) Считают связи в молекуле кислоты ионными из-за того, что кислота диссоциирует: внутри молекулы HNO3 связи ковалентные полярные, ионной становится связь только после отрыва катиона водорода. 2) Забывают про сложный ион: в Na2SO4 указывают только ионную связь, хотя внутри сульфат-иона связь ковалентная полярная. 3) Называют связь в простом веществе неметалла полярной: между одинаковыми атомами (Cl2, N2, O2) связь всегда неполярная. 4) Видят атом кислорода и сразу пишут о водородной связи: она есть только в группах H−O, H−F и H−N. 5) Делают вывод о типе решётки по растворимости: сахар и хлороводород тоже растворяются в воде, но решётки у них молекулярные. 6) Забывают, что у алмаза, кремния, SiO2 и SiC решётки атомные, поэтому эти вещества тугоплавкие, а не «молекулярные».
Проверь себя
- Почему в молекуле азота N2 связь неполярная, а в молекуле CO — полярная, хотя обе молекулы двухатомные?
- Какие частицы находятся в узлах ионной, атомной и молекулярной решёток? Приведи по одному примеру вещества.
- Почему вода кипит при 100 °C, а близкий по массе метан — при −161 °C?
- В какой из молекул есть водородная связь: CH4, CH3OH или HCHO? Объясни выбор.
- Почему расплав хлорида натрия проводит электрический ток, а раствор сахара — нет?
Показательные решения
- Нужно выбрать два вещества, между молекулами которых образуется водородная связь.
- Водородная связь возникает только тогда, когда атом водорода связан с сильно электроотрицательным атомом — фтором, кислородом или азотом.
- Просматриваем перечень: метанол CH3OH содержит группу O−H, значит между его молекулами водородные связи есть.
- Метановая (муравьиная) кислота HCOOH тоже содержит группу O−H, поэтому её молекулы также связаны водородными связями.
- Остальные вещества перечня либо вообще не содержат связи водорода с F, O или N, либо содержат кислород без группы O−H, поэтому водородной связи у них нет.
- Ответ: 25 — метанол и метановая кислота.
Ответ: 25
Официальное решение из банка ФИПИ
Водородная связь образуется между молекулами веществ, в которых атом водорода связан с атомом с высокой электроотрицательностью (фтором, кислородом, азотом). Поэтому верный ответ — метанол и метановая (муравьиная) кислота. Ответ: 25.
- Разбираем сульфат калия K2SO4 и определяем, какие виды связи в нём присутствуют; ответ — номера подходящих формулировок, а не веществ.
- Делим вещество на части: оно построено из ионов калия K^+ и сульфат-ионов SO4^2−, а связь между ионами металла и кислотного остатка ионная.
- Теперь смотрим внутрь сульфат-иона: в нём соединены атомы двух разных неметаллов — серы и кислорода.
- Связь между атомами разных неметаллов ковалентная полярная, потому что общая электронная пара смещена к более электроотрицательному кислороду.
- Ковалентной неполярной связи здесь нет: одинаковых атомов неметалла, соединённых друг с другом, в формуле не встречается.
- Ответ: 23 — ионная и ковалентная полярная связи.
Ответ: 23
Официальное решение из банка ФИПИ
Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах между атомами одного элемента-неметалла. Ковалентная полярная связь образуется в молекулах между атомами разных неметаллов, ионная — между атомами металлов и неметаллов. В сульфате калия между ионами калия и сульфат-ионами связь ионная, а между кислородом и серой в сульфат-ионе — ковалентная полярная. Ответ: 23
- Нужно выбрать вещества, которые состоят из молекул, то есть имеют молекулярное строение.
- Идём по перечню и определяем класс каждого вещества: почти все предложенные соединения — соли, а соли построены из ионов.
- У солей ионная кристаллическая решётка: в её узлах стоят катионы металла или аммония и кислотные остатки, отдельных молекул там нет.
- Исключения в перечне — метиламин NH2CH3 и оксид азота (IV) N2O4: это не соли, а вещества с ковалентными связями, существующие в виде молекул.
- Проверка по свойствам: соли твёрдые и тугоплавкие, а метиламин — газ с низкой температурой кипения, что как раз характерно для молекулярных веществ.
- Ответ: 13 — метиламин и оксид азота (IV).
Ответ: 13
Официальное решение из банка ФИПИ
Все представленные соединения, кроме метиламина и оксида азота (IV) — соли, значит, имеют ионную кристаллическую решетку и состоят из ионов. Из молекул состоят NH₂CH₃ и N₂O₄. Ответ: 13.