Типы химических связей и кристаллических решёток: теория и практика для ЕГЭ

Задание № 4 проверяет понимание природы взаимодействия атомов и структуры твёрдых тел. Примеры формулировок:

• «Выберите два вещества, которые имеют ионное строение».
• «Выберите вещества с молекулярным строением, в которых присутствует определённый тип связи».
• «Укажите вещества, имеющие в твёрдом состоянии атомную кристаллическую решётку».
• «Выберите соединения, для которых характерна водородная связь».

Чаще всего ученики путаются, когда нужно отличить тип строения от типа химической связи. Запомни правило: связь — это то, как атомы держатся друг за друга, а строение (решётка) — это то, как частицы упакованы в пространстве всем объёмом вещества.

Химическая связь — это взаимодействие атомов, осуществляемое путём обмена электронами или их обобществления.

Все связи можно разделить на две большие группы.

• Внутримолекулярные связи. Возникают между атомами внутри молекулы, иона или кристалла. Призваны соединить атомы в единое целое. Сюда относятся ковалентная, ионная и металлическая связи.
• Межмолекулярные связи. Возникают между уже готовыми молекулами. Они слабее внутримолекулярных, но именно они определяют, будет ли вещество газом, жидкостью или твёрдым телом при обычных условиях. К ним относится водородная связь.

Рассмотрим виды связи, которые нужны для безошибочного решения экзаменационных заданий (ковалентная связь будет отдельно рассмотрена в статье о ковалентных связях, степенях окисления и валентностях).

Ионная связь

Ионная химическая связь — это связь, основанная на электростатическом притяжении между разноимённо заряженными ионами.

Она возникает между атомами, чья электроотрицательность (способность притягивать электроны) сильно различается. Идеальная ионная связь образуется между атомами типичного металла и типичного неметалла. Металл полностью отдаёт свой электрон, превращаясь в катион, а неметалл забирает его, становясь анионом. Плюс притягивается к минусу, и возникает связь.

Примеры веществ:

• соли: хлорид калия ($KCl$), сульфат натрия ($Na_2SO_4$), карбонат кальция ($CaCO_3$);
• основания: гидроксид лития ($LiOH$), гидроксид калия ($KOH$);
• основные оксиды: оксид кальция ($CaO$), оксид лития ($Li_2O$).

Особое внимание обрати на соли аммония (например, хлорид аммония $NH_4Cl$) и соли органических аминов (например, хлорид метиламмония $CH_3NH_3Cl$). В них нет металлов, но они содержат ионную связь между катионом, содержащим атом азота, и анионом кислотного остатка.

В одной молекуле могут одновременно реализовываться разные типы связей между разными атомами. Рассмотрим сульфат калия ($K_2SO_4$):

В этом примере связи K—O будут ионными, связи S—O и S=O будут ковалентными полярными.

Металлическая связь

Металлическая связь — это связь между положительными ионами металлов и общими электронами, свободно перемещающимися по всему объёму.

В куске металла атомы отдают свои внешние электроны в общее пользование. Эти электроны начинают хаотично двигаться внутри куска металла, образуя так называемый «электронный газ». «Электронный газ» удерживает положительно заряженные ионы металла вместе.

Примеры веществ: Такая связь характерна для всех металлов и их сплавов. Медь ($Cu$), железо ($Fe$), алюминий ($Al$), натрий ($Na$), цинк ($Zn$), а также латунь и бронза.

Водородная связь

Водородная связь — это взаимодействие между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом сильно электроотрицательного элемента, имеющим неподелённую электронную пару.

Чтобы образовалась водородная связь, нужны два строгих условия. Во-первых, наличие атома водорода в молекуле вещества. Во-вторых, этот водород должен быть соединён с одним из трёх самых электроотрицательных элементов: фтором ($F$), кислородом ($O$) или азотом ($N$).

Примеры веществ: Вода ($H_2O$), фтороводород ($HF$), аммиак ($NH_3$), а также органические соединения: спирты, карбоновые кислоты, амины, белки и нуклеиновые кислоты.

Наличие водородных связей сильно влияет на физические свойства: такие вещества имеют аномально высокие температуры кипения и плавления по сравнению с веществами аналогичного строения без таких связей. Для сравнения, температура кипения воды ($H_2O$) 100 °C, а температура кипения сероводорода ($H_2S$) всего −60 °C.

Все твёрдые вещества делятся на кристаллические и аморфные.

Для кристаллических веществ характерно строгое расположение частиц в пространстве. Точки, где находятся частицы, называются узлами кристаллической решётки.

Для аморфных веществ, напротив, характеризуются хаотичным расположением частиц в пространстве.

Вещества могут иметь молекулярное и немолекулярное строение. Вещества молекулярного строения характеризуются молекулярным типом кристаллической решётки. Для веществ немолекулярного строения характерны все остальные типы кристаллических решёток (ионная, металлическая, атомная).

Рассмотрим четыре основных типа кристаллических решёток.

Ионная кристаллическая решётка

Основные признаки: в узлах находятся ионы (катионы и анионы). Связь между ними ионная, очень прочная.

Физические свойства: твёрдые, прочные, но хрупкие природные кристаллы. Имеют высокие температуры плавления, нелетучие. В твёрдом виде ток не проводят, но их расплавы и растворы проводят электрический ток отлично.

Примеры веществ: все вещества с ионной связью (соли, щёлочи, оксиды типичных металлов).

Строение — немолекулярное.

Металлическая кристаллическая решётка

Основные признаки: в узлах располагаются атомы и ионы металла, а между узлами хаотично движутся свободные электроны.

Физические свойства: отличная теплопроводность и электропроводность. Ковкость, пластичность (при ударе слои ионов сдвигаются, но не разрушаются благодаря «электронному газу»). характерный металлический блеск.

Примеры веществ: металлы и сплавы.

Строение — немолекулярное.

Атомная кристаллическая решётка

Основные признаки: в узлах располагаются отдельные атомы, которые соединены между собой прочными ковалентными связями. Образуется гигантская трёхмерная сеть.

Физические свойства: высокая твёрдость, исключительная прочность, очень высокие температуры плавления. Нерастворимы в воде и других растворителях, химически инертны.

Примеры веществ: веществ с такой решёткой в школьном курсе немного, их нужно просто выучить наизусть:

• углерод ($C$): алмаз, графит
• кремний ($Si$)
• бор ($B$)
• оксид кремния IV ($SiO_2$): кварц, кремнезём, речной песок, горный хрусталь
• карбид кремния ($SiC$): карборунд
• нитрид бора ($BN$)
• фосфор ($P$): красный и чёрный

Строение — немолекулярное.

Молекулярная кристаллическая решётка

Основные признаки: в узлах решётки располагаются молекулы. Внутри молекул связи сильные (ковалентные), но между молекулами возникают более слабые межмолекулярные связи.

Физические свойства: малая твёрдость, низкие температуры кипения и плавления. Легкоплавкие, летучие (многие имеют запах). Способны к возгонке (переходу из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое).

Примеры веществ: газы ($O_2,\, N_2,\, Cl_2,\, H_2$), благородные газы, вода (в виде льда), сухой лёд (твёрдый $CO_2$), кислоты безводные ($H_2SO_4$), большинство органических веществ (сахар, парафин).

Строение — молекулярное.

Чтобы верно выполнить задание, используй чёткий алгоритм:

1. Внимательно читаем условие: что нужно найти (тип связи или тип решётки).
2. Анализируем формулу каждого вещества из списка. Вспоминаем, к какому классу оно относится.
3. Соотносим состав с правилами определения связи и решётки.
4. Проверяем наличие вещества в списке исключений (например, список атомных решёток).

Пример 1. Поиск ионного строения

Из предложенного перечня выберите два вещества, которые имеют ионное строение:

1) $Ca$, 2) $CaCl_2$, 3) $HCl$, 4) $O_2$, 5) $K_2O$.

Пример 2. Поиск молекулярного строения с соблюдением дополнительных условий

Из предложенного перечня выберите вещество с молекулярным строением, в котором отсутствует ковалентная неполярная связь:

1) $P_4$, 2) $H_2O_2$, 3) $S_8$, 4) $NH_3$, 5) $SiO_2$.

Пример 3. Поиск атомной решётки

Из предложенного перечня выберите два вещества, которые в твёрдом состоянии имеют атомную кристаллическую решётку:

1. фуллерен, 2. графит, 3. оксид кремния (IV), 4. фенол, 5. фторид цезия.

Теперь ты умеешь:

• определять типы химических связей в молекулах веществ;
• определять типы кристаллических решёток;
• связывать физические свойства веществ с их строением.

Для закрепления пройденного материала советуем прорешать 5–10 задач из «100балльного банка» заданий ЕГЭ.