Ионная, металлическая, водородная связи. Межмолекулярные взаимодействия

Цели урока

• Распознавать тип связи по составу и свойствам вещества
• Объяснять свойства металлов на основе металлической связи
• Понимать роль водородной связи в химии и биологии
• Сравнивать прочность разных типов связи и межмолекулярных взаимодействий

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 4 охватывает все виды связей. Типичные формулировки: «Определите вещество с ионной связью из списка», «В каком веществе имеется водородная связь?», «Какой тип связи в металлическом натрии?». Понимание межмолекулярных взаимодействий нужно для объяснения физических свойств веществ и различий в температурах кипения, что встречается в заданиях повышенного уровня.

Теория

Ионная связь

Ионная связь — электростатическое притяжение между катионами и анионами. Образуется при взаимодействии атомов с большой разностью ЭО — как правило, между типичным металлом (IA, IIA группы) и типичным неметаллом (галогены, кислород, сера).

Механизм: один атом полностью отдаёт электроны, другой — принимает. Натрий (ЭО $= 0,9$) отдаёт электрон хлору (ЭО $= 3,0$):

$$Na^0 \rightarrow Na^+ + e^-, \quad Cl^0 + e^- \rightarrow Cl^-$$

Противоположно заряженные ионы притягиваются.

Отличительные свойства ионной связи:

• Ненаправленная — притяжение действует равномерно во всех направлениях
• Ненасыщаемая — каждый ион может притягивать сколько угодно ионов противоположного знака (ограничение — только геометрическое)
• Поэтому ионные вещества образуют кристаллические решётки, а не отдельные молекулы

Вещества с ионной связью:

• Соли: $NaCl$, $KBr$, $CaCl_2$, $Na_2SO_4$, $(NH_4)_2SO_4$
• Основания: $NaOH$, $KOH$, $Ca(OH)_2$
• Оксиды активных металлов: $Na_2O$, $CaO$, $BaO$

Важно: $NH_4Cl$ — ионное соединение ($NH_4^+$ и $Cl^-$), хотя не содержит металла. Внутри иона $NH_4^+$ связи ковалентные.

Свойства ионных веществ:

• Твёрдые, кристаллические при комнатной температуре
• Высокие температуры плавления ($NaCl$ — 801 °C, $MgO$ — 2852 °C)
• Хрупкие (при сдвиге слоёв одноимённые ионы оказываются рядом → отталкивание)
• Проводят ток в расплаве и растворе, но не в твёрдом состоянии
• Многие хорошо растворимы в воде

Металлическая связь

Металлическая связь — связь между атомами в металлах и сплавах, обусловленная обобществлением валентных электронов по всему кристаллу. Атомы металлов легко отдают внешние электроны, образуя положительные ионы, которые формируют кристаллическую решётку. Валентные электроны свободно перемещаются по всему кристаллу — «электронный газ».

Модель: решётка из катионов, «склеенная» делокализованным электронным облаком.

Свойства, объясняемые металлической связью:

• Электропроводность — свободные электроны переносят заряд под действием электрического поля
• Теплопроводность — электроны эффективно передают кинетическую энергию
• Пластичность, ковкость — при деформации слои ионов скользят относительно друг друга, но электронный газ удерживает их; кристалл не разрушается
• Металлический блеск — свободные электроны отражают свет практически всех длин волн
• Непрозрачность — свет поглощается электронным газом

Металлическая связь характерна для:

• Простых веществ-металлов (Fe, Cu, Al, Na, Au)
• Сплавов (бронза, сталь, латунь, дюралюминий)

Водородная связь

Водородная связь — особый вид межмолекулярного (или внутримолекулярного) взаимодействия, возникающий между атомом водорода, связанным с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N), и неподелённой электронной парой другого электроотрицательного атома.

Обозначение: $X-H\cdots Y$, где $X$ и $Y$ — атомы F, O или N.

Энергия водородной связи: 10–40 кДж/моль (в 10–20 раз слабее ковалентной, но в 5–10 раз сильнее сил Ван-дер-Ваальса).

Межмолекулярная водородная связь

Примеры:

• Вода: каждая молекула $H_2O$ может образовать до 4 водородных связей → аномально высокие температуры плавления (0 °C) и кипения (100 °C) для такой лёгкой молекулы. Для сравнения: $H_2S$ (без водородных связей) кипит при −60 °C.
• Спирты: $C_2H_5OH$ кипит при 78 °C, а диметиловый эфир $CH_3OCH_3$ (тот же состав, та же масса) — при −24 °C. Причина: в спирте есть $O-H$ группа → водородные связи.
• Карбоновые кислоты: образуют димеры за счёт двух водородных связей.
• $HF$: образует цепочки $F-H\cdots F-H\cdots F-H$ → аномально высокая $t_{\text{кип}} = 19,5$ °C.

Внутримолекулярная водородная связь

Встречается в крупных молекулах, когда водородную связь формируют группы одной и той же молекулы:

• ДНК: пары оснований $A=T$ (2 водородные связи) и $G≡C$ (3 водородные связи) удерживают двойную спираль
• Белки: α-спирали и β-листы стабилизированы водородными связями между $C=O$ и $N-H$

Ван-дер-Ваальсовы (межмолекулярные) силы

Самые слабые межмолекулярные взаимодействия (0,1–5 кДж/моль), действующие между любыми молекулами:

• Дисперсионные силы (Лондоновские): возникают из-за мгновенных флуктуаций электронной плотности. Действуют между всеми молекулами, включая неполярные. Усиливаются с ростом молекулярной массы и размера электронного облака. Именно они объясняют, почему $I_2$ — твёрдое, $Br_2$ — жидкое, $Cl_2$ и $F_2$ — газы.
• Ориентационные силы: взаимодействие между постоянными диполями полярных молекул.
• Индукционные силы: постоянный диполь одной молекулы наводит дипольный момент в соседней молекуле.

Сравнение прочности связей

По убыванию прочности:

1. Ковалентная (100–1000 кДж/моль) — самая прочная
2. Ионная (сопоставима с ковалентной, 600–900 кДж/моль для кристалла)
3. Металлическая (зависит от металла: для Na ~ 107, для W ~ 849 кДж/моль)
4. Водородная (10–40 кДж/моль)
5. Ван-дер-Ваальсова (0,1–5 кДж/моль)

Примеры

Пример 1. Определение типа связи

Задача: Определите типы связей в веществах: $KF$, $O_2$, $Fe$, $NH_4NO_3$, $H_2O$.

Решение:

• $KF$ — ионная (металл + неметалл, ΔЭО $> 1,7$)
• $O_2$ — ковалентная неполярная (одинаковые неметаллы)
• $Fe$ — металлическая (чистый металл)
• $NH_4NO_3$ — ионная (между $NH_4^+$ и $NO_3^-$) + ковалентная полярная ($N-H$ и $N-O$ внутри ионов)
• $H_2O$ — ковалентная полярная (внутри молекулы) + водородная (между молекулами)

Пример 2. Объяснение аномалий

Задача: Почему вода кипит при 100 °C, а сероводород — при −60 °C, хотя $H_2S$ тяжелее $H_2O$?

Решение: Между молекулами $H_2O$ действуют сильные водородные связи ($O-H\cdots O$). Кислород очень электроотрицателен (3,5) и имеет две неподелённые пары → каждая молекула воды участвует в нескольких водородных связях. Сера менее электроотрицательна (2,5) → водородные связи в $H_2S$ практически отсутствуют, между молекулами действуют только слабые силы Ван-дер-Ваальса.

Вопросы для самопроверки

1. В каких из перечисленных веществ присутствует ионная связь: $CaCl_2$, $HCl$, $NH_4Br$, $CO_2$, $NaOH$, $P_4$?
2. Почему металлы пластичны, а ионные кристаллы хрупки?
3. Между молекулами какого вещества действуют водородные связи: $CH_4$, $CH_3OH$, $C_2H_6$, $HCOOH$, $HF$? Объясните.
4. Почему $I_2$ — твёрдое вещество при комнатной температуре, а $Cl_2$ — газ?
5. Какие типы связей и межмолекулярных взаимодействий присутствуют в кристалле $NaOH$?

Краткий конспект

• Ионная связь: металл + неметалл, ΔЭО $> 1,7$, ненаправленная, ненасыщаемая → кристаллы, высокая $t_{\text{пл}}$, проводят ток в растворе
• Металлическая: катионы + электронный газ → блеск, пластичность, электропроводность
• Водородная: $X-H\cdots Y$ ($X$, $Y$ = F, O, N), 10–40 кДж/моль → аномальные $t_{\text{кип}}$ воды, спиртов, $HF$
• Ван-дер-Ваальсовы силы: 0,1–5 кДж/моль, между всеми молекулами, растут с молекулярной массой
• В одном веществе часто сочетаются несколько типов: $Na_2SO_4$ — ионная + ковалентная

Что изучать дальше

Следующий шаг — урок 8 «Кристаллические решётки», где вы узнаете, как тип связи определяет структуру кристалла и физические свойства вещества. Это завершит блок о химической связи.