§ 4. ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ’ЯЗКІВ: ЙОННИЙ ЗВ’ЯЗОК

Хімічний зв’язок. Ознайомившись докладніше з електронною будовою атомів і розміщенням електронів на енергетичних рівнях, зокрема на зовнішньому — найвіддаленішому від ядра, ви переконалися, що періодична зміна властивостей елементів та їхніх сполук пов’язана насамперед з будовою зовнішнього рівня. Валентні стани атомів змінюються й залежать від того, у якому стані — основному чи збудженому — атом вступає в хімічну взаємодію з іншими атомами.

Оскільки інертні хімічні елементи мають завершений зовнішній енергетичний рівень, то в природі вони є одноатомними газами. Усі інші елементи періодичної системи здатні утворювати прості та складні речовини. Це пояснюється тим, що атоми цих елементів, зовнішні енергетичні рівні яких є незавершеними, прагнуть створити стійку конфігурацію під час взаємодії між собою або з атомами інших елементів. Тоді між атомами виникає хімічний зв’язок. Згідно з принципом «мінімальної енергії», хімічний зв’язок між атомами утворюється, якщо повна енергія системи в разі їхнього зближення зменшується.

У неорганічних й органічних речовинах наявні різні види хімічного зв’язку: між атомами неметалічних елементів утворюється ковалентний (неполярний та полярний) зв’язок, між атомами металічних і неметалічних елементів — йонний, у металів — металічний, у молекулах і між молекулами сполук з ковалентним полярним зв’язком — водневий.

Йонний зв’язок. Вивчаючи будову електронних оболонок атомів, ви дізналися, що найстабільнішу конфігурацію мають атоми інертних елементів. Така будова відповідає мінімальній енергії, тому всі інші елементи намагаються набути такої самої конфігурації.

Під час хімічних реакцій металічним елементам властиво віддавати електрони зовнішнього енергетичного рівня, щоб утворити стійку конфігурацію. Наприклад, атоми лужних елементів, маючи на зовнішньому енергетичному рівні один електрон, віддають його й перетворюються на позитивно заряджені йони, у яких зовнішній енергетичний рівень завершений, як у попереднього інертного елемента.

Атоми неметалічних елементів мають велику кількість електронів. Тому їм енергетично вигідніше приєднати певну кількість електронів до завершення зовнішнього енергетичного рівня. Після того вони перетворюються на негативно заряджені йони. Схематично це зображають так:

Na 0 – 1e → Na + ; K 0 – 1e → K + ; Cl – + 1e → Cl 0 ; Br – + 1e → Br 0 .

• Йони — це заряджені частинки, на які перетворюються атоми, коли віддають або приєднують електрони.

Вам уже відомо, що позитивно заряджені йони називають катіонами, а негативно заряджені — аніонами. Заряди йонів залежать від кількості відданих або приєднаних електронів. Якщо атом Кальцію віддає два електрони, то заряд йона 2+ (два плюс). У разі приєднання атомом Сульфуру двох електронів утворюється йон, заряд якого дорівнює 2- (два мінус).

Процес переходу електронів від атомів металічних до атомів неметалічних елементів можна зобразити так:

Під час взаємодії Натрію з Бромом атом Натрію, електронна конфігурація якого 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 , віддає електрон і перетворюється на йон Натрію, що має стабільну конфігурацію 1s 2 2s 2 2p 6 , як в атома Неону. Приймаючи електрон, атом Брому з електронною конфігурацією 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5 перетворюється на йон Брому з конфігурацією 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 , що відповідає зовнішньому енергетичному рівню атома Криптону, який є завершеним.

• Йонний зв’язок — це хімічний зв’язок між йонами, що утворюється на основі електростатичних сил притягання. Сполуки з йонним зв’язком називають йонними сполуками.

Йонний зв’язок утворюється між атомами елементів, електронегативності яких значно відрізняються, тобто між атомами металічних і неметалічних елементів. Сили взаємодії між йонами залежать від значень зарядів і радіусів йонів. Що більші заряди й менші радіуси йонів, то міцніші кулонівські сили притягання між йонами, а отже, міцніший хімічний зв’язок.

До йонних сполук належать основні й амфотерні оксиди, основи й амфотерні гідроксиди, солі, бінарні сполуки, до складу яких входять металічні й неметалічні елементи. Наприклад, оксиди натрій оксид Na₂O, калій оксид К₂О, цинк оксид ZnO, алюміній оксид Al₂O₃; основи натрій гідроксид NaOH, кальцій гідроксид Са(ОН)₂; амфотерні гідроксиди цинк гідроксид Zn(OH)₂, алюміній гідроксид Al(OH)₃, ферум(ІІІ) гідроксид Fe(OH)₃; солі натрій хлорид NaCl, літій фторид LiF, калій сульфат K₂SO₄; бінарні сполуки Ca₃P₂, Mg₃N₂, CaC₂.

З’ясуємо, чи однакові властивості проявляють атоми й утворені ними йони. Вивчаючи курс неорганічної хімії, ви ознайомилися з реакціями лужних і лужноземельних металів з водою. Під час їхнього перебігу утворюються основи та виділяється водень:

Однак, розчиняючи натрій хлорид у воді, ми не спостерігатимемо виділення водню, хоча кристали солі дисоціюють і в розчині наявні йони Натрію:

Зважаючи на це, доходимо висновку, що властивості атомів та йонів є різними.

Йонні кристалічні ґратки. Усі йонні сполуки — тверді кристалічні речовини, структурні частинки яких — це позитивно та негативно заряджені йони. У структурі кристалу йонної сполуки йони розміщуються в певному порядку, зокрема в кристалічних ґратках періодично чергуються катіони й аніони. Наприклад, у кристалах натрій хлориду, модель кристалічних ґраток якого зображено на рис. 10, навколо кожного позитивно зарядженого йона Натрію розміщуються шість негативно заряджених йонів Хлору й навпаки. Йони в кристалі утримуються електростатичними силами притягання, що виникають між різнойменно зарядженими частинками. Ці сили досить міцні, що впливає на властивості йонних сполук. Вони нелеткі, тверді, тугоплавкі, мають високі температури кипіння, багато з них добре розчинні у воді.

Рис. 10. Масштабна модель кристалічних ґраток натрій хлориду

Водні розчини або розплави (для нерозчинних у воді) йонних сполук є електропровідними. Це означає, що під час розчинення або розплавлення вони розпадаються на йони. У розплавах електропровідність зростає.

Йонні сполуки не розчиняються або слабо розчиняються в неполярних розчинниках. Йонні кристали є хорошими діелектриками.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• У неорганічних та органічних речовинах виникають різні види хімічного зв’язку: ковалентний (неполярний та полярний), йонний, металічний, водневий.

• Йонний зв’язок — хімічний зв’язок між йонами, що утворюється на основі електростатичних сил притягання.

• Сполуки з йонним зв’язком називають йонними.

• Йонний зв’язок утворюється між атомами елементів, електронегативності яких значно відрізняються, тобто між атомами металічних і неметалічних елементів.

• Йони — заряджені частинки, на які перетворюються атоми, коли віддають або приєднують електрони.

• Позитивно заряджені йони називають катіонами, а негативно заряджені — аніонами. Заряди йонів залежать від кількості відданих або приєднаних електронів.

• До йонних сполук належать основні й амфотерні оксиди, основи й амфотерні гідроксиди, солі, бінарні сполуки.

• Йонні сполуки утворюють йонні кристалічні ґратки.

• Йонні сполуки — тверді кристалічні речовини, нелеткі, тугоплавкі, розчинні у воді та нерозчинні або погано розчинні в неполярних розчинниках. Розчини й розплави проводять електричний струм. Йонні кристали — хороші діелектрики.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, який зв’язок називають йонним.
• 2. Назвіть сполуки з йонним хімічним зв’язком.
• 3. Укажіть ряд формул, де містяться тільки йонні сполуки.

А KCl, HCl, CO₂, MgS

• 4. Виберіть з-поміж наведених формул речовин йонні сполуки й складіть формули йонів, що входять до їхнього складу: Ba(OH)₂, H₂SO₄, ZnCl₂, KNO₃, H₂S, SO₂, ZnO, CH₄, Al₂S₃, Na₂SO₄, C₂H₆, FeCl₃, NaOH, H₂O, MgSO₄.
• 5. Складіть усі можливі формули речовин, які містять такі йони: Fe 2+ , SO 2- ₄, Al 3+ , NO – ₃, S 2- , Ca 2+ , Li + , Cl – , H + , Ag + .

§ 5. ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ’ЯЗКІВ: КОВАЛЕНТНИЙ ЗВ’ЯЗОК

Ковалентний зв’язок. З цим видом хімічного зв’язку ви ознайомилися в курсі хімії 8 класу. Він властивий неорганічним та органічним речовинам. Вони утворюються внаслідок виникнення між атомами елементів однієї або декількох спільних електронних пар. Цей вид зв’язку властивий сполукам, молекули яких містять атоми неметалічних елементів.

• Ковалентний зв’язок — це зв’язок на основі спільних електронних пар.

Розглянемо докладніше механізм утворення ковалентного зв’язку. Атоми, узаємодіючи між собою, можуть утворювати спільні електронні пари за допомогою неспарених електронів, перебуваючи в незбудженому стані. Найчастіше це атоми, які мають однакову або близьку за значенням електронегативність. Ковалентний зв’язок може бути одинарним (якщо між атомами виникла одна спільна електронна пара), подвійним (якщо дві) і потрійним (коли виникають три спільні електронні пари).

Пригадайте, як утворюється молекула водню.

Ковалентний неполярний зв’язок. Механізм виникнення зв’язку між атомами Гідрогену з утворенням молекули водню H₂ полягає в тому, що ядра атомів Гідрогену притягують електронні хмари s-електронів. Унаслідок зближення атомів їхні електронні хмари перекриваються, що супроводжується виділенням енергії та утворенням зони підвищеної електронної густини. Тоді електрони обох атомів Гідрогену перебувають у спільному користуванні двох ядер. Це енергетично вигідніше, ніж коли електрон перебуває в користуванні свого ядра. Отже, виникає електронна пара з двох s-електронів атомів Гідрогену (рис. 11), яка рівновіддалена від обох ядер атомів.

Рис. 11. Схема утворення спільної електронної пари перекриванням s-електронів двох атомів Гідрогену

Зв’язок у молекулах елементів з ковалентним зв’язком відображають електронними або графічними (структурними) електронними формулами. Електронна формула молекули водню Н:Н. У структурній формулі крапки замінюють рискою Н-Н.

У молекулі кисню між атомами Оксигену наявний подвійний зв’язок О=О, у молекулі азоту — потрійний N≡N.

У кожному з цих випадків атоми набувають стійкої конфігурації з двох або восьми електронів.

Поясніть механізм утворення ковалентного неполярного зв’язку, скориставшись рис. 12.

Рис. 12. Схема утворення двох спільних електронних пар у молекулі кисню

• Хімічний зв’язок, що утворюється між атомами елементів з однаковою електронегативністю, називають ковалентним неполярним зв’язком.

Ковалентний полярний зв’язок. Здебільшого хімічний зв’язок виникає в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів, що відрізняються електронегативністю. Прикладом може бути утворення молекул гідроген хлориду (рис. 13), води, амоніаку.

Рис. 13. Схема утворення ковалентного полярного зв’язку в молекулі гідроген хлориду

Розглянемо докладніше механізм утворення ковалентного полярного зв’язку в молекулі гідроген хлориду. Як бачимо з рис. 13, на зовнішньому енергетичному рівні в атома Гідрогену є 1s неспарений електрон, а в атома Хлору — два s- та п’ять р-електронів, зокрема один з них неспарений. До утворення стійкої конфігурації не вистачає одного електрона. Унаслідок взаємодії s-електрона атома Гідрогену та неспареного р-електрона атома Хлору утворюється спільна електронна пара. Ядро атома Хлору має заряд значно більший (+17), ніж ядро атома Гідрогену (+1), тому сили притягання з боку Хлору значно більші. Відбувається зміщення електронної пари до більш електронегативного елемента Хлору. Оскільки віддалі між ядрами атомів та утвореною спільною електронною парою неоднакові, це спричиняє поляризацію молекули. На тому кінці молекули, де розміщується елемент з більшою електронегативністю (Хлор), зосереджується негативний заряд, а там, де з меншою, — позитивний. Такі молекули називають полярними молекулами, або Диполями.

• Диполь — це система з двох зарядів, що є однаковими за значенням, але протилежними за знаком.

Пригадайте й поясніть утворення ковалентного зв’язку в молекулі води.

З’ясуємо, як утворюється ковалентний зв’язок у молекулі амоніаку. Вам уже відомо з § 2 (с. 13), що в атома Нітрогену на зовнішньому енергетичному рівні з п’яти наявних електронів три — неспарені. Електронна конфігурація ₇N 1s 2 2s 2 2p 3 .

Атоми Нітрогену утворюють три спільні електронні пари з трьома атомами Гідрогену. Виникає стійка конфігурація зовнішнього енергетичного рівня: у Нітрогену — з восьми електронів, як у Неону, і в Гідрогену — з двох електронів, як у Гелію. Електронні пари зміщені до більш електронегативного атома Нітрогену. Молекула полярна, набуває форми піраміди. На зовнішньому енергетичному рівні залишаються два спарені s-електрони, які не беруть участі в утворенні зв’язку. Схему будови молекули амоніаку показано на рис. 14.

Рис. 14. Схема будови молекули амоніаку

Вивчаючи органічні речовини, ви ознайомилися з електронною будовою атома Карбону. Вам відомо, що він, перебуваючи в основному стані, на зовнішньому (другому) енергетичному рівні має два спарені s-електрони й два неспарені р-електрони, що демонструє графічна електронна формула (рис. 15, а). У такому стані атом Карбону утворює два ковалентні зв’язки. Однак у сполуках атом Карбону найчастіше є чотиривалентним та утворює чотири ковалентні зв’язки. Це відбувається завдяки тому, що під час хімічних реакцій атом Карбону переходить з основного стану в збуджений. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня набуває іншого вигляду (рис. 15, б), де всі електрони неспарені, тобто електрон із s-підрівня переходить на вільну р-орбіталь. Унаслідок переходу на зовнішньому енергетичному рівні з’являються чотири неспарені електрони, що утворюють чотири ковалентні зв’язки з іншими атомами. При цьому звільняється стільки енергії, що вона перекриває енергію, затрачену на перехід атома Карбону з основного стану в збуджений.

Рис. 15. Графічні електронні формули атома Карбону в основному (а) і збудженому (б) станах

З § 2 (с. 13) вам відомо, що в атомів неметалічних елементів 3 періоду й наступних зовнішній енергетичний рівень містить d-підрівень. Під час збудження атома на цей підрівень переходять s- і р-електрони. Як наслідок, створюються додаткові можливості утворення ковалентних зв’язків.

• Хімічний зв’язок, що утворюється між атомами елементів, електронегативність яких незначно відрізняється, називають ковалентним полярним зв’язком.

Молекулярні кристалічні ґратки. Такий тип ґраток характерний для речовин молекулярної будови. У речовин з ковалентним неполярним зв’язком у вузлах кристалічних ґраток розміщуються неполярні молекули. Між ними діють міжмолекулярні сили взаємодії, що впливає на фізичні властивості цих сполук. Вони леткі, легкоплавкі, мають низькі температури кипіння, невисоку твердість. За нормальних умов вони можуть бути газами (Н₂, Cl₂, N₂, O₂), рідинами (Br₂) або твердими речовинами (І₂, Р₄, S₈).

У вузлах кристалічних ґраток речовин з ковалентним полярним зв’язком розміщуються полярні молекули, які в певному порядку орієнтовані в просторі, оскільки, крім електростатичних сил взаємодії, діють і міжмолекулярні. Фізичні властивості таких речовин подібні до властивостей речовин з неполярними кристалічними ґратками. Це неорганічні речовини: вода, амоніак, гідроген хлорид, гідроген сульфід, а також більшість органічних.

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку. Розглядаючи утворення ковалентних зв’язків у молекулі амоніаку, ви, мабуть, звернули увагу на те, що атом Нітрогену на зовнішньому енергетичному рівні має два спарені s-електрони, які утворюють неподілену електронну пару. Вона може брати участь в утворенні ковалентних зв’язків з іншим атомом за умови, що на його зовнішньому енергетичному рівні є вільна орбіталь. Наприклад, у йона Гідрогену не заповнена 1s-орбіталь. Тому під час взаємодії молекули амоніаку з йоном Гідрогену неподілена електронна пара від Нітрогену переходить на його вільну s-орбіталь і стає спільною для обох атомів. Як наслідок, утворюється йон амонію (рис. 16). Хоча в йоні амонію ковалентні зв’язки утворюються різними способами, вони є рівноцінними.

Рис. 16. Схема утворення йона амонію

Атом Нітрогену, який віддав неподілену електронну пару для утворення ковалентного зв’язку, є донором. Йон Гідрогену, який, маючи вільну орбіталь, приєднав неподілену електронну пару, називають акцептором. Тому механізм утворення ковалентного зв’язку й дістав назву донорно-акцепторний.

• Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку — це механізм утворення зв’язку між атомами за рахунок неподіленої електронної пари одного атома та вільної орбіталі ішого.

На основі донорно-акцепторного механізму утворення зв’язку відбувається утворення сполук у реакції взаємодії амоніаку з гідроген хлоридом. Щоб переконатися в цьому, проведемо демонстраційний дослід.

Дослід. Наллємо в першу склянку водний розчин амоніаку, а в другу — хлоридну кислоту. Якщо піднесемо їх отворами одну до одної, то зі зближенням склянок з них інтенсивно виділятиметься «білий дим». У хімії ця реакція дістала назву «дим без вогню». Так званий «дим» — це дрібні кристали амоній хлориду (рис. 17).

Рис. 17. Утворення амоній хлориду з амоніаку й гідроген хлориду

За донорно-акцепторним механізмом відбувається також утворення продуктів під час реакції взаємодії амоніаку з водою.

Складіть самостійно рівняння реакції взаємодії амоніаку з водою. Назвіть речовину, що утворилася.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Ковалентний зв’язок — зв’язок на основі спільних електронних пар.

• Ковалентний зв’язок утворюється в сполуках, які містять атоми неметалічних елементів.

• Ковалентний неполярний зв’язок — хімічний зв’язок, що виникає між атомами елементів з однаковою електронегативністю. Утворюється за допомогою неспарених електронів між атомами, які мають однакову або близьку за значенням електронегативність.

• Ковалентний полярний зв’язок — хімічний зв’язок, що утворюється між атомами елементів, електронегативність яких незначно відрізняється. Виникає в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів.

• Під час утворення ковалентного полярного зв’язку відбувається зміщення електронної пари до більш електронегативного елемента.

• Диполь — система з двох зарядів, однакових за значенням, але протилежних за знаком.

• Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку — це механізм утворення зв’язку між атомами за рахунок неподіленої електронної пари одного атома та вільної орбіталі іншого. Утворюється за умови, коли на зовнішньому енергетичному рівні одного атома є неподілена електронна пара, а в іншого атома — вільна орбіталь.

• У вузлах кристалічних ґраток речовин з неполярним зв’язком розміщені неполярні молекули, сили взаємодії між якими малі. У вузлах кристалічних ґраток речовин з полярним ковалентним зв’язком розміщуються полярні молекули, які в певному порядку орієнтовані в просторі, оскільки між ними, крім електростатичних сил взаємодії, виникають і міжмолекулярні.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, який зв’язок називають ковалентним.
• 2. Назвіть відомі вам способи утворення ковалентного зв’язку.
• 3. Охарактеризуйте на конкретних прикладах механізми утворення ковалентних зв’язків: а) неполярного; б) полярного.
• 4. Поясніть, які електрони зовнішнього енергетичного рівня беруть участь в утворенні хімічних зв’язків у молекулах сполук, поданих формулами: а) О₂; б) H₂S; в) СН₄.
• 5. Укажіть сполуку з неполярним ковалентним зв’язком.

• 7. Визначте, яку максимальну кількість зв’язків можуть утворювати атоми Нітрогену та Фосфору. Напишіть формули сполук.
• 8. Складіть рівняння реакцій взаємодії гідроген хлориду та води з амоніаком. Поясніть механізм утворення ковалентних зв’язків під час взаємодії цих сполук.
• 9. Обґрунтуйте залежність властивостей речовин від типу хімічного зв’язку та кристалічної будови.
• 10. Спрогнозуйте вид хімічного зв’язку в сполуках за їхніми формулами: NH₃, CaCl₂, H₂S, N₂ та які фізичні властивості вони проявляють.

Основні типи хімічного зв’язку

Атоми є основними будівельними блоками всіх видів матерії . Атоми з’єднуються з іншими атомами за допомогою хімічних зв’язків , що є результатом сильних сил притягання, які існують між атомами.

Хімічний зв’язок – це область, яка утворюється, коли електрони різних атомів взаємодіють один з одним. Електрони, які беруть участь у хімічних зв’язках , є валентними електронами, які є електронами, що знаходяться в зовнішній оболонці атома. Коли два атоми наближаються один до одного, ці зовнішні електрони взаємодіють. Електрони відштовхуються один від одного, але притягуються до протонів всередині атомів. Взаємодія сил призводить до того, що деякі атоми утворюють зв’язки один з одним і злипаються.

Основні типи хімічного зв’язку

Двома основними типами зв’язків, що утворюються між атомами, є іонні зв’язки та ковалентні зв’язки. Іонний зв’язок утворюється, коли один атом приймає або віддає один або кілька своїх валентних електронів іншому атому. Ковалентний зв’язок утворюється , коли атоми ділять валентні електрони. Атоми не завжди розподіляють електрони однаково, тому результатом може бути полярний ковалентний зв’язок . Коли електрони поділяються двома металевими атомами, може утворитися металевий зв’язок . У ковалентному зв’язку електрони розподіляються між двома атомами. Електрони, які беруть участь у металевих зв’язках, можуть бути спільними між будь-якими атомами металу в області.

Передбачте тип хімічного зв’язку на основі електронегативності

Якщо значення електронегативності двох атомів однакові:

• Між двома атомами металу утворюються металеві зв’язки.
• Ковалентні зв’язки утворюються між двома атомами неметалів. Неполярні ковалентні зв’язки утворюються, коли значення електронегативності дуже схожі, тоді як полярні ковалентні зв’язки утворюються, коли значення електронегативності знаходяться трохи далі одне від одного.

Якщо значення електронегативності двох атомів різні, утворюються іонні зв’язки.