Глава V. Химическая связь. Окислительно-восстановительные реакции. § 37. Металлическая химическая связь — с. 162
§ 37. Проверьте свои знания.
1. Что общего между ковалентной и металлической связями и чем они различаются?
Общее: обе связи образованы за счёт обобществления внешних электронов атомов; в обоих случаях электроны принадлежат не одному атому, а сразу нескольким, и это удерживает атомы вместе.
Различия: при ковалентной связи общая электронная пара находится между двумя конкретными атомами, связь направленная и насыщаемая, образуется между атомами неметаллов (молекулы, атомные кристаллы). При металлической связи электроны обобществлены сразу всеми ион-атомами кристалла и свободно перемещаются по всему металлу, связь не имеет направленности и насыщаемости; она характерна для металлов и сплавов.
Различия: при ковалентной связи общая электронная пара находится между двумя конкретными атомами, связь направленная и насыщаемая, образуется между атомами неметаллов (молекулы, атомные кристаллы). При металлической связи электроны обобществлены сразу всеми ион-атомами кристалла и свободно перемещаются по всему металлу, связь не имеет направленности и насыщаемости; она характерна для металлов и сплавов.
§ 37. Проверьте свои знания.
2. Что общего между ионной и металлической связями и чем они различаются?
Общее: в обеих связях действуют силы электростатического притяжения между положительно и отрицательно заряженными частицами; в обоих случаях атомы металла отдают внешние электроны и превращаются в положительно заряженные частицы.
Различия: в ионной связи (NaCl) электроны переходят от атомов металла к атомам неметалла, образуются устойчивые катионы и анионы, и электроны закреплены на анионах; вещество не проводит ток в твёрдом состоянии. В металлической связи отданные электроны не закрепляются у определённых атомов, а образуют общее «электронное облако», которое связывает ион-атомы; поэтому металлы электропроводны и пластичны, а ионные кристаллы хрупкие.
Различия: в ионной связи (NaCl) электроны переходят от атомов металла к атомам неметалла, образуются устойчивые катионы и анионы, и электроны закреплены на анионах; вещество не проводит ток в твёрдом состоянии. В металлической связи отданные электроны не закрепляются у определённых атомов, а образуют общее «электронное облако», которое связывает ион-атомы; поэтому металлы электропроводны и пластичны, а ионные кристаллы хрупкие.
§ 37. Проверьте свои знания.
3. Определите тип химической связи в веществах:
а) Са; б) CaCl₂; в) Cl₂; г) HCl.
а) Са; б) CaCl₂; в) Cl₂; г) HCl.
а) Са — простое вещество металл: металлическая связь.
б) CaCl₂ — соединение металла (Ca) с типичным неметаллом (Cl): ионная связь, Ca²⁺ и 2Cl⁻.
в) Cl₂ — молекула из одинаковых атомов неметалла: ковалентная неполярная связь (Cl–Cl, общая электронная пара не смещена).
г) HCl — молекула из атомов разных неметаллов: ковалентная полярная связь (общая пара смещена к более электроотрицательному атому хлора, Hδ⁺–Clδ⁻).
б) CaCl₂ — соединение металла (Ca) с типичным неметаллом (Cl): ионная связь, Ca²⁺ и 2Cl⁻.
в) Cl₂ — молекула из одинаковых атомов неметалла: ковалентная неполярная связь (Cl–Cl, общая электронная пара не смещена).
г) HCl — молекула из атомов разных неметаллов: ковалентная полярная связь (общая пара смещена к более электроотрицательному атому хлора, Hδ⁺–Clδ⁻).
§ 37. Проверьте свои знания.
4. Выразите своё отношение к утверждению о том, что все типы химической связи имеют единую физическую природу.
Я согласен с этим утверждением. Любая химическая связь возникает благодаря электростатическому взаимодействию положительно заряженных ядер (ионов) и отрицательно заряженных электронов. Различие типов связи состоит лишь в распределении электронной плотности: при ионной связи электроны почти полностью смещены к одному атому и взаимодействуют образовавшиеся ионы; при ковалентной полярной смещены частично, при неполярной — распределены симметрично между двумя атомами; при металлической — обобществлены между многими атомами. Между типами связи нет резкой границы: ковалентная полярная связь по мере роста разности электроотрицательностей переходит в ионную.
§ 37. Примените свои знания.
5. Запишите формулы и укажите вид химической связи для следующих веществ:
а) поваренная соль; б) серебро; в) магний; г) углекислый газ; д) вода; е) азот.
а) поваренная соль; б) серебро; в) магний; г) углекислый газ; д) вода; е) азот.
Ответ в виде таблицы: а) NaCl — ионная; б) Ag — металлическая; в) Mg — металлическая; г) CO₂ — ковалентная полярная; д) H₂O — ковалентная полярная; е) N₂ — ковалентная неполярная (тройная связь N≡N).
§ 37. Примените свои знания.
6. Запишите по одной схеме образования ионной, ковалентной полярной и неполярной, металлической связей для веществ, перечисленных в предыдущем задании.
Ионная связь (NaCl): атом натрия отдаёт один электрон, атом хлора его принимает: Na⁰ − 1e⁻ → Na⁺; Cl⁰ + 1e⁻ → Cl⁻; Na⁺ + Cl⁻ → NaCl (притяжение ионов).
Ковалентная полярная связь (H₂O): у атома кислорода 6 внешних электронов, у каждого атома водорода по 1; две общие пары смещены к кислороду: H· + ·Ö· + ·H → H:Ö:H, то есть Hδ⁺–Oδ⁻–Hδ⁺ (аналогично для CO₂: O=C=O).
Ковалентная неполярная связь (N₂): каждый атом азота имеет 5 внешних электронов и даёт по 3 электрона в общие пары: :N· + ·N: → :N:::N: , или N≡N; общие пары расположены симметрично.
Металлическая связь (Mg): атомы магния отдают внешние электроны, которые обобществляются: Mg⁰ − 2e⁻ ⇄ Mg²⁺; в кристалле ион-атомы Mg²⁺ удерживаются общим электронным газом (аналогично для Ag: Ag⁰ − 1e⁻ ⇄ Ag⁺).
Ковалентная полярная связь (H₂O): у атома кислорода 6 внешних электронов, у каждого атома водорода по 1; две общие пары смещены к кислороду: H· + ·Ö· + ·H → H:Ö:H, то есть Hδ⁺–Oδ⁻–Hδ⁺ (аналогично для CO₂: O=C=O).
Ковалентная неполярная связь (N₂): каждый атом азота имеет 5 внешних электронов и даёт по 3 электрона в общие пары: :N· + ·N: → :N:::N: , или N≡N; общие пары расположены симметрично.
Металлическая связь (Mg): атомы магния отдают внешние электроны, которые обобществляются: Mg⁰ − 2e⁻ ⇄ Mg²⁺; в кристалле ион-атомы Mg²⁺ удерживаются общим электронным газом (аналогично для Ag: Ag⁰ − 1e⁻ ⇄ Ag⁺).
§ 37. Примените свои знания.
7. Какое количество вещества соответствует 96 кг меди?
Дано: m(Cu) = 96 кг = 96 000 г.
Найти: n(Cu).
Решение: M(Cu) = 64 г/моль. n = m / M = 96 000 г : 64 г/моль = 1500 моль = 1,5 кмоль.
Ответ: n(Cu) = 1500 моль (1,5 кмоль).
Найти: n(Cu).
Решение: M(Cu) = 64 г/моль. n = m / M = 96 000 г : 64 г/моль = 1500 моль = 1,5 кмоль.
Ответ: n(Cu) = 1500 моль (1,5 кмоль).
§ 37. Используйте дополнительную информацию.
8. Как строение металлов связано с их физическими свойствами?
Назовите области применения металлов, в которых используют их физические свойства.
Металлы имеют кристаллическую решётку, в узлах которой находятся ион-атомы, а между ними свободно перемещаются обобществлённые электроны. Благодаря подвижным электронам металлы хорошо проводят электрический ток и тепло (при нагревании электроны быстро переносят энергию). Металлический блеск вызван отражением света свободными электронами. Пластичность (ковкость) объясняется тем, что слои ион-атомов могут смещаться друг относительно друга, а электронный газ продолжает их связывать, и кристалл не разрушается. Применение: медь и алюминий — электрические провода и кабели (электропроводность); алюминий, медь — радиаторы, кастрюли, теплообменники (теплопроводность); золото, серебро, алюминий — зеркала, украшения, фольга (блеск, пластичность); вольфрам — нити ламп накаливания (тугоплавкость); ртуть — термометры (жидкое состояние); железо и сплавы — листовой прокат, проволока (пластичность и прочность).
§ 38. Вопрос в начале параграфа. Важное значение в химии имеет понятие «степень окисления». Что оно означает?
Как рассчитывается степень окисления атомов в химическом соединении?
Степень окисления — условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все ковалентные полярные связи превращены в ионные. Её записывают над символом элемента: сначала знак, затем число (Na⁺¹Cl⁻¹, H₂⁺¹O⁻²). Для расчёта используют правила: сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю; в простых веществах степень окисления равна 0; у щелочных металлов +1, у металлов IIA-группы +2, у алюминия +3, у фтора −1, у кислорода обычно −2, у водорода +1 (с металлами −1). Для неизвестной степени составляют уравнение. Например, в N₂O₅: 2x + 5·(−2) = 0, x = +5.