Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

ТЕМА 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

В этом разделе вы узнаете...

• как атомы соединяются в молекуле;

• почему не все атомы отталкиваются друг от друга;

• чем отличаются связи между разными атомами;

• соединены ли между собой атомы в поваренной соли;

• как устроены твердые вещества;

• что в кристаллах есть решетки;

• как строение вещества отражается на его свойствах.

§ 17. Природа химической связи

Вспомните:

• определение электронных формул атомов (§ 13);

• причину устойчивости атомов инертных элементов (§ 15).

Электронная природа связи

Почти двести лет назад ученые ввели понятие о валентности как способности атомов соединяться с другими атомами. Например, атомы Гидрогена всегда одновалентны, а Оксигена — двухвалентны. Основываясь на этих данных, начали изображать структурные формулы молекул следующим образом:

В этих формулах черточками обозначены химические связи, которые существуют между атомами. Но что такое химическая связь? Только после открытия электрона английским физиком Дж. Томсоном в 1897 г. было высказано предположение, что химические связи имеют электронную природу и образуются благодаря смещению или перенесению электронов от одного атома к другому. Позднее оказалось, что эта гипотеза была верной.

Атом, как вы уже знаете, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Простейший атом — атом Гидрогена — содержит один электрон, который находится на первом энергетическом уровне. При сближении двух атомов Гидрогена ядро одного из них притягивает электрон другого атома и наоборот. Между атомами возникает взаимодействие, и расстояние между ними уменьшается до тех пор, пока взаимное притяжение не уравновесится отталкиванием двух положительных ядер. В образованной молекуле водорода электронная плотность (возможное местонахождение электронов) между ядрами оказывается повышенной благодаря перекрыванию орбиталей атомов Гидрогена (рис. 17.1).

Рис. 17.1. При образовании химической связи электронные орбитали атомов Гидрогена перекрываются

Химическая связь — это взаимодействие атомов, определяющее устойчивость многоатомных частиц (молекул, ионов, кристаллов).

При образовании химической связи между атомами энергия молекулы ниже энергии отдельных атомов (рис. 17.2), а стремление к уменьшению энергии — это действующая сила любых взаимодействий. Уменьшение энергии молекулы по сравнению с энергией отдельных атомов — причина образования химической связи.

Рис. 17.2. Зависимость энергии атомов Гидрогена при образовании молекулы водорода от расстояния между ядрами атомов: при максимальном взаимодействии атомов (образовании химической связи) энергия уменьшается до минимума, 1 пм = 10-12 м

Условия возникновения химической связи

Не все атомы могут взаимодействовать между собой. Бывает так, что при сближении некоторых атомов и перекрывании их электронных орбиталей молекула не образуется. Например, если два атома Гелия приближаются друг к другу, то молекула Не2 образоваться не может.

Условия возникновения химической связи определил американский химик Дж. Льюис, который в 1916 г. предложил электронную теорию химической связи. Эта теория основана на том, что электронные оболочки атомов инертных элементов отличаются особой устойчивостью, чем и объясняется их химическая инертность. Атомы других элементов при образовании химической связи стремятся изменить электронную оболочку до конфигурации ближайшего инертного элемента, отдавая или присоединяя электроны. Только в таком случае образуются устойчивые молекулы. Это утверждение называют правилом октета Льюиса (от латин. окто — «восемь»), поскольку атомы всех инертных элементов (кроме Гелия) содержат на внешнем уровне по восемь электронов.

Джилберт Ньютон Льюис (1875-1946)

Американский физико-химик, работал в области электрохимии, термодинамики и теоретической химии. Родился в г. Уэймут близ Бостона. В 14 лет поступил в университет Небраска, а через три года перевелся в Гарвард. С 26 лет преподавал в Гарварде, Кембридже. В 39 лет стал деканом химического факультета в университете Беркли, который под его руководством стал одним из лучших факультетов страны. В 1916 г. Льюис выдвинул идею, что химическая связь образуется благодаря общей паре электронов, а также что внешний электронный слой содержит восемь электронов (хотя термин «октет» никогда не употреблял). В 1932 г. сформулировал теорию кислот и оснований (теорию Льюиса). Впервые выделил чистую «тяжелую воду». Льюиса называют одним из величайших физико-химиков США. Среди его учеников 289 докторов наук и 20 лауреатов Нобелевской премии, хотя ему самому получить Нобелевскую премию было не суждено.

Таким образом, понятно, почему молекула Н2 устойчивая, а молекулы Не2 не существует. Это связано с тем, что атому Гидрогена до завершения внешнего уровня не хватает одного электрона. При образовании молекулы Н2 электроны двух атомов объединяются, и электронная конфигурация каждого атома дополняется до конфигурации атома Гелия. А в атоме Гелия внешний энергетический уровень уже заполнен, поэтому ему просто не нужны «лишние» электроны.

Типы химической связи

В веществах различают несколько типов химической связи. Все они образуются благодаря общим электронным парам или обмену электронами, но между типами связи есть существенные различия. В зависимости от вида соединяющихся частиц могут образовываться разные типы связи, но можно утверждать, что во всех металлах существует металлическая связь. В 8 классе вы ознакомитесь с ковалентной и ионной связями, а остальные будете изучать в старших классах.

Схема 2. Типы химической связи

Первая статья по теории химической связи, опубликованная Льюисом в 1916 г., содержала революционные для того времени идеи, а сегодня это изучают в школьном курсе химии. Но современники не смогли оценить труд Льюиса. Только через три года на него обратил внимание известный физик Ленгмюр, который развил теорию Льюиса о ковалентной и ионной связи. Авторитет Ленгмюра к тому времени был настолько велик, что ему невольно была приписана слава создания теории химической связи. В настоящее время справедливость восстановлена, и основателем этой теории считается Льюис.

Выводы

1. Химическая связь имеет электронную природу и образуется благодаря притяжению электронов одного атома к ядру другого атома.

2. Химическую связь образуют те атомы, электронная конфигурация которых отличается от конфигурации атомов инертных элементов. При образовании связи атомы объединяют или перераспределяют электроны так, чтобы получить электронную конфигурацию атомов ближайшего инертного элемента.

Контрольные вопросы

1. Почему число известных молекул намного превышает число существующих химических элементов?

2. При участии каких частиц образуется химическая связь: а) протонов; б) электронов; в) нейтронов?

3. Какие взаимодействия существуют в молекуле водорода? Как они изменяются в зависимости от расстояния между ядрами атомов?

4. Дайте определение химической связи. Благодаря чему она образуется?

5. Почему одни атомы взаимодействуют друг с другом, а другие — нет?

6. Какие существуют типы химической связи?

7. По какому правилу можно определить атомы, способные образовать химическую связь?

Задания для усвоения материала

1. Сколько электронов не хватает до октета атомам Нитрогена, Хлора, Сульфура, Карбона, Флуора, Оксигена?

2. К электронной конфигурации каких инертных элементов стремятся атомы Лития, Оксигена, Кальция, Алюминия, Хлора? Атомы этих элементов будут отдавать или присоединять электроны при образовании химических связей?

3. Определите, сколько электронов могут отдать атомы Лития, Магния, Калия, Алюминия, Фосфора, Хлора.