Химическая связь и строение вещества
Разбираемся, как по формуле вещества за 20 секунд назвать тип связи и тип кристаллической решётки — и как из решётки вытекают температура плавления, твёрдость и электропроводность.
1Что спрашивают в задании 4
В четвёртом задании КИМ проверяют два тесно связанных умения: определить тип химической связи в веществе и тип кристаллической решётки. Формулировки бывают разные — «в каком ряду все вещества имеют ковалентную полярную связь», «выберите два вещества с ионной решёткой», «установите соответствие между веществом и типом связи», — но алгоритм всегда один.
- Атомы одного неметалла — ковалентная неполярная связь (H₂, O₂, N₂, Cl₂, O₃, P₄, S₈).
- Разные неметаллы — ковалентная полярная связь (HCl, H₂O, NH₃, CO₂, SO₃).
- Типичный металл + неметалл — ионная связь (NaCl, K₂O, CaF₂, MgS).
- Металл в простом веществе или сплаве — металлическая связь (Fe, Cu, Na, латунь).
- Соли аммония и щёлочи — «два в одном»: ионная плюс ковалентная внутри иона.
- Водородная связь — не тип связи внутри частицы, а притяжение между молекулами.
2Электроотрицательность и типы связи
Электроотрицательность (ЭО) — способность атома притягивать к себе общую электронную пару. По периоду слева направо ЭО растёт, в группе сверху вниз — убывает. Рекордсмен — фтор (3,98), самый «слабый» из школьного набора — калий (0,82).
Разность электроотрицательностей ΔЭО показывает, насколько сильно общая пара смещена к одному из атомов. Потрогайте определитель: выберите два элемента и посмотрите, как меняется схема связи.
Выберите два элемента — маркер поедет по шкале, а схема перестроится
ΔЭО = 0,96 — общая пара смещена к более электроотрицательному атому, на нём появляется δ−, на партнёре δ+.
Граница 1,7 условна: у HF ΔЭО = 1,78, но связь всё равно считают ковалентной полярной. Практический признак ионной связи на ЕГЭ — сочетание «типичный металл + неметалл» (а также соли аммония).
| Тип связи | Между кем | Что происходит с электронами | Примеры |
|---|---|---|---|
| Ковалентная неполярная | одинаковые атомы неметаллов | общая пара — точно посередине, ΔЭО = 0 | H₂, N₂, O₂, F₂, P₄, S₈, O₃ |
| Ковалентная полярная | разные неметаллы | пара смещена к более электроотрицательному, появляются δ+ и δ− | HCl, H₂O, NH₃, CH₄, CO₂, SO₂, PCl₃ |
| Ионная | типичный металл и неметалл | электроны практически полностью переходят: образуются катион и анион | NaCl, K₂O, CaF₂, MgS, NaOH, NH₄Cl |
| Металлическая | атомы металлов | валентные электроны обобществлены всем кристаллом | Fe, Cu, Al, Na, Zn, сплавы |
| Водородная | между молекулами, где H связан с F, O или N | притяжение δ+H одной молекулы к неподелённой паре F, O, N другой | H₂O, HF, NH₃, спирты, кислоты, белки |
В каком ряду все вещества имеют ковалентную полярную связь?
H₂O, NH₃ и HCl построены из разных неметаллов — связь ковалентная полярная. Во втором ряду атомы одинаковые (неполярная), в третьем — металл с неметаллом (ионная), в четвёртом — металлы (металлическая).
3Как образуется ковалентная связь: два механизма
Обменный механизм. Каждый атом отдаёт в общую пару по одному неспаренному электрону. Так образуется большинство связей: H· + ·Cl → H:Cl.
Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) даёт готовую неподелённую пару, а второй (акцептор) — пустую орбиталь. Классика ЕГЭ — образование иона аммония.
- Ион гидроксония H₃O⁺ (донор — кислород воды).
- Комплексные соединения: Na[Al(OH)₄], K₄[Fe(CN)₆], [Cu(NH₃)₄]SO₄.
- Соли аммония: NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃.
- Молекула CO — третья связь образуется по донорно-акцепторному типу.
Первая связь между атомами всегда σ (сигма) — перекрывание орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра. Вторая и третья — π (пи), боковое перекрывание над и под этой линией. Отсюда простое правило подсчёта.
| Кратность связи | σ | π | Пример |
|---|---|---|---|
| Одинарная (—) | 1 | 0 | H₃C—CH₃, H—Cl |
| Двойная (=) | 1 | 1 | O=O, CH₂=CH₂, C=O |
| Тройная (≡) | 1 | 2 | N≡N, CH≡CH, C≡O |
Сколько σ- и π-связей в молекуле азота N₂?
В N₂ тройная связь N≡N. Первая связь между любой парой атомов — всегда σ, оставшиеся две — π. Итого 1 σ и 2 π.
4Металлическая и водородная связь
Металлическая связь возникает в металлах и сплавах: атомы легко отдают валентные электроны, и те свободно перемещаются по всему кристаллу. Получается решётка из атом-ионов, «залитая» электронным газом. Отсюда сразу три свойства: электро- и теплопроводность, металлический блеск и пластичность (слои скользят, а связь не рвётся).
Водородная связь — это притяжение между молекулами, а не связь внутри них. Она возникает, когда водород связан с очень электроотрицательным атомом: F, O или N. Мнемоника: «ФОН».
В каком веществе есть и ионная, и ковалентная связь?
В NH₄Cl между ионом аммония NH₄⁺ и хлорид-ионом Cl⁻ связь ионная, а внутри самого иона NH₄⁺ — четыре ковалентные полярные связи (одна из них образована по донорно-акцепторному механизму). CaCl₂ и K₂S — только ионная, HCl — только ковалентная полярная.
5Кристаллические решётки: строение диктует свойства
Тип решётки определяется тем, какие частицы стоят в её узлах и какие силы их удерживают. Чем прочнее взаимодействие между частицами, тем выше температура плавления и твёрдость. Переключайте типы и сравнивайте.
Переключайте тип решётки — схема и свойства перестраиваются
В узлах: катионы и анионы
Ионная решётка
| Решётка | В узлах | t°пл | Ток в твёрдом виде | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| Ионная | катионы и анионы | высокая | не проводит (расплав и раствор — да) | NaCl, CaO, KOH, NH₄NO₃ |
| Атомная | атомы | очень высокая | не проводит (кроме графита) | C(алмаз), Si, SiO₂, SiC, B |
| Молекулярная | молекулы | низкая | не проводит | I₂, CO₂, H₂O, O₂, сахароза |
| Металлическая | атом-ионы и электронный газ | разная | проводит | Cu, Fe, Al, Na, сплавы |
Какое вещество имеет атомную кристаллическую решётку?
SiO₂ — трёхмерный каркас из атомов кремния и кислорода, соединённых ковалентными связями: t°пл 1713 °C, очень твёрдый, нерастворим. Иод — молекулярная решётка, NaCl — ионная, медь — металлическая.
6Тренировка: от свойств к решётке
На экзамене часто дают описание вещества и просят назвать решётку или, наоборот, по решётке предсказать свойства. Прогоните пять веществ и проверьте, насколько уверенно читаете подсказки.
Прочитайте описание вещества и выберите тип решётки — получите разбор
Бесцветные кристаллы, t°пл = 801 °C, хрупкие. Хорошо растворяются в воде; раствор и расплав проводят электрический ток, а твёрдое вещество — нет.
Это хлорид натрия NaCl. Проводимость появляется только в расплаве и растворе — значит, в узлах уже были ионы, их нужно лишь освободить. Плюс высокая t°пл и хрупкость.
- Одинаковые неметаллы → ковалентная неполярная; разные → ковалентная полярная.
- Металл + неметалл → ионная; металл + металл → металлическая.
- Щёлочи и соли (в том числе аммония) → ионная решётка, даже если внутри ионов есть ковалентные связи.
- Все газы, летучие жидкости и органика (кроме солей) → молекулярная решётка.
- Алмаз, графит, кремний, бор, SiO₂, SiC, красный фосфор → атомная решётка.
- Водородная связь только при H—F, H—O, H—N.
- Первая связь — σ, все последующие — π.
Теория закончилась — теперь руки
Понимание закрепляется только на задачах. Прорешайте тему в тренажёре, пока материал свежий: 40 задач с разбором каждого решения.
Перейти в тренажёр