Некоторые атомы более привлекательны
В молекуле хлора два атома связаны между собой ковалентной связью, при этом образовавшаяся общая электронная пара используется этими атомами в равной степени. Электронное облако, образованное общей парой электронов, находится посередине между двумя атомами. Общая пара электронов притягивается каждым атомом одинаково. Но что произойдет, если двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов? В этом случае два положительно заряженных ядра имеют разные силы притяжения, а следовательно, по-разному «притягивают к себе» электронную пару. Таким образом, общее электронное облако смещено в сторону одного из атомов. Для оценки способности атома данного элемента притягивать к себе общую электронную пару пользуются величиной относительной электроотрицательности.
Некоторые атомы более привлекательны
Притяжение электронов: значения электроотрицательности
Электроотрицательность — это сила, с которой атом элемента способен притягивать общую пару электронов. Чем больше значение электроотрицательности, тем сильнее атом притягивает эту пару. На рис. 7.11 под каждым символом элемента периодической таблицы приведено значение его электроотрицательности. Обратите внимание на то, что, за исключением некоторых случаев2, электроотрицательность в периоде по направлению слева направо увеличивается, а в группе по направлению сверху вниз, наоборот, уменьшается.
По значению электроотрицательности можно, например, судить о том, в сторону какого атома будет смещена пара электронов, участвующих в образовании ковалентной связи. В качестве примера рассмотрим молекулу Cl2. Значение электроотрицательности хлора равно 3,0 (см. рис. 7.11). Следовательно, каждый атом хлора притягивает общее электронное облако с силой 3,0. Поскольку притяжение с обеих сторон одинаково, электронное облако распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. В подобном случае связь называется неполярной ковалентной. Связь является неполярной ковалентной, если ее образуют атомы одного элемента или если разность значений электроотрицательности атомов, образующих связь, достаточно мала.
Теперь рассмотрим молекулу хлороводорода (HCl). Значения электроотрицательности водорода и хлора равны 2,1 и 3,0 соответственно. Общая электронная пара смещена в сторону атома хлора, так как хлор имеет большее значение электроотрицательности. Связь, в которой общее электронное облако смещено в сторону одного из атомов, называется полярной кова-лентной. Атом, который сильнее притягивает электронную пару, является более электроотрицательным. Смещение общего электронного облака при образовании полярной ковалент-ной связи приводит к тому, что средняя плотность отрицательного электрического заряда оказывается выше вблизи более электроотрицательного атома и ниже — вблизи менее электроотрицательного. В результате первый атом приобретает избыточный отрицательный, а второй — избыточный положительный заряд.
Теперь рассмотрим случай, когда значения электроотрицательности двух атомов существенно отличаются, например в хлориде натрия (NaCl). Хлорид натрия имеет ионную связь (см. главу 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи»). В этом соединении электрон был перенесен от натрия к хлору. Значения электроотрицательности для натрия и хлора равны 1,0 и 3,0 соответственно. Таким образом, разность между этими значениями составляет 2,0 (3,0 – 1,0), что делает связь между двумя атомами очень и очень полярной. Таким образом, по разности значений электроотрицательности элементов можно предугадать вид связи, которую они образуют.
2 В короткой форме периодической системы эта закономерность прослеживается без каких-либо исключений, т.е. в начале каждого периода находятся элементы с наиболее низкой электроотрицательностью (типичные металлы), в конце периода (перед благородными газами) — элементы с наивысшей электроотрицательностью (типичные неметаллы). У элементов одной и той же подгруппы с ростом заряда ядра проявляется тенденция к снижению значений электроотрицательности. — Примеч. ред.
Разность между значениями электроотрицательности Образуемая связь
От 0,0 до 0,2 Неполярная ковалентная
От 0,3 до 1,4 Полярная ковалентная
> 1,5 Ионная
Полярность молекул оказывает заметное влияние на свойства образуемых ими веществ.
Полярная ковалентная связь
Если в создании ковалентной связи участвуют два атома разных элементов, то общая пара электронов смещается в сторону одного из атомов. Таким образом, один атом приобретает избыточный отрицательный заряд, а другой — избыточный положительный заряд. В большинстве случаев молекулу можно рассматривать как систему из двух равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку зарядов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Такие системы называются диполями. На рис. 7.12 показаны примеры молекул, в которых образовались диполи. (Греческий символ «дельта», расположенный рядом со знаком заряда, означает частичный заряд.)
Общая электронная пара фтороводорода (HF) намного ближе смещена к атому фтора, чем к атому водорода. Таким образом, диполь со стороны атома фтора приобретает частичный отрицательный заряд, а со стороны атома водорода — частичный положительный заряд. То же самое происходит и в аммиаке (NH3). Поскольку азот имеет большую электроотрицательность, чем водород, общие пары электронов притягиваются к нему сильнее, чем к атомам водорода. Таким образом, атом азота приобретает частичный отрицательный заряд, а каждый атом водорода — частичный положительный заряд.
Наличие полярной ковалентной связи объясняет особенности «поведения» тех или иных веществ в химической реакции. Так, молекулы с полярными ковалентными связями представляют собой диполи с положительно и отрицательно заряженными концами, которые могут притягивать частицы, обладающие противоположным зарядом.
Кроме того, молекулы такого рода могут действовать как слабый электролит, поскольку соединение с полярной ковалентной связью может выступать в роли проводника. Таким образом, в качестве изолятора может использоваться вещество со слабовыраженной полярной ковалентной связью.
в стакан с которым вы положили кубики льда (твердое состояние). Вода относится к тем немногим химическим веществам, которые могут находиться в трех агрегатных состояниях в достаточно ограниченном диапазоне температур.
Кроме того, ледяные кубики не тонут! Однако, как уже отмечалось, частицы вещества, находясь в твердом состоянии, расположены друг к другу намного ближе, чем в жидком состоянии. Таким образом, если поместить вещество, находящееся в твердой фазе, в то же вещество, находящееся в жидкой фазе, то твердое тело утонет. Но для воды это неверно. Плотность воды в твердом состоянии меньше, чем в жидком, поэтому лед плавает. Вообразите, что происходило бы, если бы лед тонул. Зимой реки покрывались бы слоем льда, который бы опускался на дно, а на поверхности воды появлялся бы новый слой льда, который тоже бы уходил на дно, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся речная вода не превратилась бы в лед. Таким образом, река довольно быстро стала бы безжизненной. Однако все происходит иначе: лед держится на поверхности, изолируя расположенную под ним воду и защищая от промерзания водную флору и фауну. Кроме всех перечисленных выше особенностей свойств воды, она к тому же имеет необычно высокую точку кипения. У других соединений, плотность которых соизмерима с плотностью воды, точка кипения намного ниже.
Еще одно уникальное свойство воды — это способность растворять многие химические вещества. Вода растворяет соли и другие ионные соединения, а также соединения, имеющие полярную ковалентную связь, например спирты и органические кислоты. Именно поэтому воду иногда называют универсальным растворителем. Кроме того, вода обладает способностью накапливать большое количество теплоты, благодаря чему огромные массы воды помогают компенсировать резкие перепады температуры на Земле.
Причиной всех необычных свойств воды является наличие в ней полярных ковалентных связей. Поскольку электроотрицательность кислорода выше, чем водорода, общие электронные пары смещены ближе к атому кислорода. При этом атом кислорода получает частичный отрицательный заряд, а оба атома водорода — частичный положительный заряд. Частичные положительные заряды атомов, возникающие вследствие образования в воде полярных кова-лентных связей, показаны на рис. 7.13.
Молекула воды имеет дипольную структуру и проявляет свойства магнита, у которого на одном конце сосредоточен отрицательный заряд (со стороны кислорода), а на другом — положительный (со стороны атомов водорода). Эти заряженные части диполя могут притягивать к себе другие молекулы воды. Так, атом кислорода, имеющий частичный отрицательный заряд, может притягивать к себе атом водорода, имеющий частичный положительный заряд, из другой молекулы воды. Такое притяжение между молекулами встречается довольно часто и представляет собой разновидность межмолекулярного взаимодействия (силы, действующей между разными молекулами).
Существует три вида межмолекулярного взаимодействия. Первый называется силой Лондона или дисперсионным взаимодействием. Это притяжение очень слабое и обычно возникает между неполярными ковалентными молекулами, например азота (N2), водорода (H2) или
метана (CH4). Движение электронов в атомах, а также колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение взаимного положения электронов и ядер вызывают появление мгновенных диполей. Вследствие этого и возникает дисперсионное взаимодействие.
Второй вид межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным или диполь-дипольным взаимодействием. Если вещество состоит из полярных молекул, то соседние молекулярные диполи ориентируются по отношению друг к другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение. Сила диполь-дипольного взаимодействия существенно превышает силу Лондона, однако все равно является довольно слабой.
Третьим видом является взаимодействие, имеющее место в соединениях атома водорода с атомом одного из трех элементов с высокой электроотрицательностью (O, N или F) и фактически представляющее собой достаточно сильное диполь-дипольное взаимодействие. Так, при образовании полярной ковалентной связи между атомом водорода и атомом фтора (кислорода или азота), который характеризуется высокой электроотрицательностью, электронное облако, первоначально принадлежавшее атому водорода, существенно смещается к атому фтора. В результате атом фтора приобретает значительный частичный отрицательный заряд, а ядро атома водорода (протон) с «внешней» по отношению к атому фтора стороны почти лишается электронного облака. Между протоном атома водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы HF возникает электростатическое притяжение, что приводит к образованию водородной связи. Таким образом, в воде атомы водорода и кислорода связаны именно водородной связью (рис. 7.14).
Благодаря наличию водородных связей молекулы воды являются стабильными и прочными. Кроме того, водородные связи оказывают влияние на температуру кипения воды (она весьма высока) и способность накапливать теплоту. Когда вода замерзает, эти связи скрепляют ее, образуя открытую конструкцию, объем которой несколько превышает первоначальный объем жидкости. В жидкой воде молекулы расположены довольно близко друг к другу, однако в твердом теле из-за водородных связей получается структура с большими «пустотами», которые увеличивают объем и уменьшают плотность. Данный процесс объясняет, почему плотность льда меньше, чем у воды (благодаря чему лед не тонет). Структура льда показана на рис. 7.15, где водородные связи обозначены штриховыми линиями.