Почему атомы держатся вместе — и как по формуле сразу назвать тип связи, валентность и степень окисления.
Атомы «хотят» получить устойчивый внешний слой — как у благородных газов (8 электронов, у водорода 2). Ради этого они делятся электронами, отдают или принимают их. Так и рождается химическая связь.
Всё решает разница электроотрицательностей (ЭО). Маленькая разница → электроны общие (ковалентная связь). Большая → электрон уходит целиком (ионная связь). Металлы между собой держатся по-своему (металлическая связь).
Между одинаковыми атомами (ЭО равны). Пара электронов ровно посередине. Пример: H2, O2, N2, Cl2.
Пара смещена к более электроотрицательному атому. Пример: HCl, H2O, NH3, CO2.
Электрон передан полностью: образуются катион и анион, притягивающиеся друг к другу. Пример: NaCl, K2O, CaF2.
Катионы в «море» общих подвижных электронов. Отсюда электропроводность и ковкость. Пример: Fe, Cu, сплавы.
Водородная связь — межмолекулярная, возникает, когда H соединён с F, O или N. Именно она держит воду жидкой и закручивает белки в спираль. Она слабее обычной ковалентной, но её любят спрашивать.
Каждый атом даёт по одному электрону в общую пару. Обычный случай: H· + ·Cl → H:Cl.
Пару целиком отдаёт один атом (донор), а второй предоставляет пустую орбиталь (акцептор). Классика — ион аммония NH4+ и связь в CO.
В ионе аммония все 4 связи N–H одинаковы, хотя одна образована по донорно-акцепторному механизму. Механизм разный — а связи неотличимы.
Чёрточка в структурной формуле — это одна общая пара. Но между двумя атомами таких пар бывает две и три. И устроены они по-разному: первая связь всегда одного типа, все последующие — другого.
Орбитали перекрываются вдоль линии, соединяющей ядра — «лоб в лоб». Перекрывание максимальное, поэтому σ-связь прочная. Вокруг неё возможно свободное вращение.
Орбитали перекрываются боковыми частями, над и под линией связи. Перекрывание слабее → π-связь менее прочная и легче рвётся в реакциях. Вращение блокирует.
Между двумя атомами первая связь всегда σ, а каждая следующая — π. Одинарная = 1σ. Двойная = 1σ + 1π. Тройная = 1σ + 2π. Исключений нет.
| Кратность | Состав | Пример | Длина связи | Энергия |
|---|---|---|---|---|
| Одинарная | 1σ | H₃C–CH₃ | наибольшая | наименьшая |
| Двойная | 1σ + 1π | H₂C=CH₂ | средняя | средняя |
| Тройная | 1σ + 2π | HC≡CH | наименьшая | наибольшая |
Дополнительные π-связи стягивают атомы ближе. Отсюда ряд для углерод-углеродной связи: C–C (0,154 нм) > C=C (0,134 нм) > C≡C (0,120 нм), а прочность растёт в обратном порядке. То же самое у азота: именно тройная связь делает N₂ таким инертным.
N₂ (N≡N): тройная связь → 1σ + 2π.
CO₂ (O=C=O): две двойные связи, каждая 1σ + 1π → всего 2σ + 2π.
C₂H₄ (H₂C=CH₂): четыре связи C–H (все σ) + двойная C=C (1σ + 1π) → 5σ + 1π.
Приём: посчитай все чёрточки — столько всего связей; из них σ ровно столько, сколько пар связанных атомов, остальное π.
Сколько σ- и π-связей в молекуле ацетилена HC≡CH?
Пар связанных атомов три: H–C, C≡C, C–H → значит, 3σ. Тройная связь добавляет две π → 2π. Итого 3σ + 2π.
Двойная прочнее целиком, но состоит из неравноценных частей. В реакциях рвётся её слабое звено — π-связь, а σ-каркас остаётся. Поэтому алкены (C=C) реакционноспособнее алканов: у них есть «лишняя» непрочная π-связь, готовая к присоединению.
Ковалентная связь между разными атомами всегда чуть смещена к тому, кто электроотрицательнее. Насколько — определяет разность ЭО. И вот тут кроется тонкость: полярные связи не всегда дают полярную молекулу.
| Разность ЭО | Тип связи | Что происходит | Пример |
|---|---|---|---|
| 0 | ковалентная неполярная | пара строго посередине | H₂, O₂, Cl₂ |
| малая | ковалентная полярная | пара смещена, но общая | HCl, H₂O, NH₃ |
| большая | ионная | электрон передан полностью | NaCl, K₂O |
Ионная связь — это предельный случай полярной ковалентной, а не отдельное явление. Даже в NaCl электрон не отдан на 100%. Поэтому в заданиях ориентируйся на простое правило: металл + неметалл → ионная, неметалл + неметалл → ковалентная.
Полярность молекулы зависит ещё и от геометрии: если полярные связи расположены симметрично, их смещения гасят друг друга.
Связи C=O полярные, но молекула линейная (O=C=O): смещения направлены в противоположные стороны и компенсируются.
Те же полярные связи, но молекула угловая: смещения складываются. Отсюда все аномальные свойства воды.
Вопрос «полярна ли молекула CO₂» ловит на автоматизме: связи полярные — значит и молекула? Нет. Симметричные молекулы (CO₂, CH₄, BF₃, CCl₄) неполярны, несмотря на полярные связи.
Расстояние между ядрами связанных атомов. Тем меньше, чем меньше радиусы атомов и чем выше кратность.
Энергия, которую надо затратить на разрыв связи. Чем связь короче, тем она, как правило, прочнее.
Отсюда, кстати, следует сила кислот: чем слабее связь H–Hal, тем легче отрывается H+ и тем сильнее кислота. Поэтому HI — сильнейшая из галогеноводородных, а HF — слабая.
Связи C–Cl полярные — хлор электроотрицательнее углерода. Но молекула имеет форму правильного тетраэдра: четыре одинаковых смещения направлены симметрично и полностью компенсируют друг друга. Молекула неполярна.
В этих двух типах нет привычной «чёрточки»: электроны либо переданы полностью, либо обобществлены всем кристаллом сразу.
Ионная связь — связь за счёт электростатического притяжения разноимённо заряженных ионов. Возникает между типичным металлом и типичным неметаллом, у которых разность ЭО велика.
Ключевое свойство: ионная связь ненаправленна и ненасыщаема. Ион Na+ притягивает не «свой» Cl-, а все соседние сразу. Поэтому молекулы NaCl не существует — есть кристалл, где каждый ион окружён шестью противоионами.
Запись NaCl означает лишь соотношение ионов 1:1 в кристалле. Отсюда высокие температуры плавления солей: чтобы расплавить, надо разрушить всю решётку целиком, а не растащить отдельные молекулы.
Ионная связь есть и там, где металла нет вовсе: в солях аммония. В NH4Cl между ионом NH4+ и Cl- связь ионная, а внутри самого иона аммония — ковалентная полярная. В одном веществе сразу два типа связи — любимый вопрос экзамена.
Металлическая связь — связь между катионами металла в узлах решётки и общими подвижными электронами («электронным газом»), принадлежащими всему кристаллу.
| Свойство металла | Чем объясняется |
|---|---|
| Электропроводность | свободные электроны движутся направленно под действием поля |
| Теплопроводность | те же подвижные электроны переносят энергию |
| Ковкость, пластичность | слои катионов смещаются, «электронный клей» не даёт кристаллу расколоться |
| Металлический блеск | свободные электроны отражают свет |
Сдвинь слой в ионном кристалле — одноимённые заряды окажутся рядом и оттолкнутся, кристалл расколется. Сдвинь слой в металле — электронный газ просто перетечёт следом, связь сохранится. Отсюда хрупкость солей и ковкость металлов.
Между ионами NH4+ и NO3− — ионная. Внутри обоих ионов — ковалентная полярная, причём одна из связей N–H и связи в нитрат-ионе образованы по донорно-акцепторному механизму. Металла в веществе нет, а ионная связь есть.
Она в 15–20 раз слабее ковалентной и формально даже не считается «настоящей» химической связью. Но именно она отвечает за то, что вода жидкая, лёд плавает, а ДНК держит форму.
Водородная связь появляется, когда атом H соединён с сильно электроотрицательным атомом — F, O или N. Такой водород почти лишён электрона и притягивается к неподелённой паре соседней молекулы.
Фтор, Оксиген, аНот — три элемента, рядом с которыми водород даёт водородную связь. Нет F, O или N рядом с H — нет и связи. В H2S и CH4 её не бывает.
H₂O кипит при 100 °C, а куда более тяжёлый H₂S — при −60 °C. Чтобы испарить воду, надо ещё и разорвать водородные связи между молекулами.
При замерзании водородные связи выстраивают молекулы в рыхлый каркас с пустотами. Плотность падает — лёд плавает. Почти уникальное свойство в природе.
Спирты, карбоновые кислоты, сахара, аммиак хорошо растворимы именно потому, что образуют водородные связи с водой.
Спираль белка и двойная спираль ДНК удерживаются водородными связями: поодиночке слабые, вместе — прочная конструкция.
| Вещество | Водородная связь | Почему |
|---|---|---|
| H₂O, HF, NH₃ | есть | H связан с O, F, N |
| C₂H₅OH, CH₃COOH | есть | есть группа –OH |
| H₂S, PH₃, HCl | нет | S, P, Cl недостаточно электроотрицательны |
| CH₄, C₂H₆, C₆H₆ | нет | H связан только с углеродом |
| CH₃–O–CH₃ | нет (между собой) | кислород есть, но нет H при нём |
В диметиловом эфире CH₃–O–CH₃ кислород есть, но водорода при нём нет — между своими молекулами водородная связь не образуется, поэтому эфир кипит намного ниже изомерного ему этанола. При этом с водой он такую связь даёт: воду он в доноры и берёт.
У них одинаковая молекулярная формула, но у этанола есть группа –OH: его молекулы связаны друг с другом водородными связями, и на их разрыв нужна энергия. У эфира водород при кислороде отсутствует — молекулы держатся лишь слабыми силами, и вещество кипит на сто градусов ниже.
Задание 4 ЕГЭ решается по формуле вещества, без всякой теории. Достаточно посмотреть, что за атомы соединены.
| Вещество | Что видим | Тип связи |
|---|---|---|
| O₂, N₂, Cl₂, S₈, P₄ | одинаковые неметаллы | ковалентная неполярная |
| HCl, H₂O, NH₃, CO₂, SO₃ | разные неметаллы | ковалентная полярная |
| NaCl, CaO, K₂S, Al₂O₃ | металл + неметалл | ионная |
| NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄ | соль аммония | ионная + ковалентная полярная |
| Fe, Cu, Na, латунь | металл | металлическая |
| NaOH, KNO₃ | металл + кислотный остаток | ионная + ковалентная полярная внутри остатка |
В NaOH связь Na–O ионная, а O–H внутри гидроксид-иона — ковалентная полярная. Вопрос «какая связь в веществе» может подразумевать обе: читай формулировку внимательно.
Определи типы связи: 1) K₂O 2) Br₂ 3) HF 4) Mg 5) NH₄NO₃
Ионная связь бывает только если в формуле есть металл.
Соли аммония (NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄) металла не содержат, но связь между ионами в них ионная.
Если связи в молекуле полярные, то и молекула полярная.
Решает геометрия. В CO₂, CCl₄, CH₄, BF₃ полярные связи расположены симметрично и взаимно компенсируются — молекулы неполярны.
Водородная связь — это связь между атомами водорода.
Это связь между молекулами: водород одной молекулы притягивается к неподелённой паре F, O или N другой. В H₂ никакой водородной связи нет.
Двойная связь — это просто «две одинаковые связи».
Они неравноценны: 1σ (прочная) + 1π (слабая). В реакциях присоединения рвётся именно π-связь.
Молекула NaCl состоит из одного атома натрия и одного хлора.
Молекулы NaCl не существует. Есть ионный кристалл, где каждый Na+ окружён шестью Cl-. Формула отражает лишь соотношение 1:1.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
N2 — ковалентная неполярная; KCl — ионная (металл + неметалл); HBr — ковалентная полярная; Cu — металлическая.
K: +1 (×2 = +2), O: −2 (×7 = −14), 2·Cr = 2x. Сумма: 2 + 2x − 14 = 0 → 2x = 12 → Cr = +6.
Валентность = III (три связи N–H, без знака). Степень окисления = −3 (азот электроотрицательнее водорода, забирает пары). Разные понятия.
Водородная связь есть там, где H соединён с F, O или N: H₂O и HF. В H2S и CH4 её нет.
Строение: H–O–N(=O)–O. Считаем пары связанных атомов: H–O, O–N, N=O, N–O → 4σ. Одна двойная связь N=O добавляет 1π.
Итого: 4σ + 1π. Общее правило: число σ-связей равно числу связанных пар атомов, всё сверх того — π.
Обычно с ростом массы температура кипения растёт. Но у HF фтор настолько электроотрицателен, что между молекулами возникает водородная связь — на её разрыв нужна дополнительная энергия. У HCl такой связи нет: хлор недостаточно электроотрицателен. Та же аномалия у H₂O против H₂S и у NH₃ против PH₃.
Два. Между Na+ и OH- — ионная (металл и кислотный остаток). Внутри гидроксид-иона, между O и H — ковалентная полярная. Такая «двойная» картина типична для всех щелочей и солей кислородсодержащих кислот.
Прочность растёт с кратностью, а длина при этом падает:
C–C < C=C < C≡C
C–C (1σ, 0,154 нм) → C=C (1σ+1π, 0,134 нм) → C≡C (1σ+2π, 0,120 нм). При этом реакционная способность меняется наоборот: у кратных связей есть слабые π-компоненты, которые легко рвутся при присоединении.
Связи B–F сильно полярны — фтор самый электроотрицательный элемент. Но три связи направлены под углом 120° в одной плоскости и полностью компенсируют друг друга, поэтому молекула неполярна. Ещё одно доказательство: полярность молекулы определяет геометрия, а не только связи.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно