Как изобразить химические связи?
Химические связи между атомами в моделях молекул часто изображают в виде соединяющих «шарики» атомов палочек. На самом деле химическая связь не похожа на палочку. Это межатомные силы притяжения, которые прочно удерживают атомы вместе. Можно сказать, что химические связи образуются за счет сил электрического притяжения между атомным ядром и электронами. Но поскольку наши органы чувств не способны отобразить атомы, невозможно изготовить и физическую модель, которая бы точно отображала все их свойства. Пока мы можем лишь косвенно определить размеры атомов и их положение в молекуле.
Ковалентная связь
Ранее мы узнали, что атомы благородных газов необычайно устойчивы. Их внешний электронный слой полностью заполнен электронами и поэтому обладает особой стабильностью. Как правило (за исключением первого периода) в полностью заполненном электронном слое содержится восемь электронов, поэтому его называют электронным октетом. Атомы других элементов в химических реакциях также пытаются перейти в более устойчивое состояние, то есть заполнить электронами свой внешний электронный слой, благодаря чему некоторые электроны становятся общими.
Примеры образования химических связей
Молекула водорода
У каждого атома водорода для завершения внешнего электронного слоя недостает по одному электрону. Оба атома с одинаковой силой удерживают свои электроны и не могут ни принять, ни отдать их. В этом случае два электрона становятся общими для обоих атомов водорода и начинают вращаться вокруг их ядер.
На приведенной ниже схеме показано образование молекулы водорода. На схемах атомов пунктирной линией обозначены «пустые места» во внешнем электронном слое, куда можно было бы принять электрон.
Эти общие электроны образуют общую электронную пару, равноценно принадлежащую обоим атомам, а каждый из атомов водорода приобретает устойчивый внешний слой с двумя электронами. Общая электронная пара связывает два атома водорода в одну молекулу.
 Балоны с газом, состоящим из молекул водорода |  Образование молекулы водорода из атомов и модель этой молекулы |
Молекула хлора
Образование молекулы хлора также происходит за счет общей электронной пары. Атом хлора во внешнем электронном слое имеет семь электронов. Для достижения октета у атома хлора, как и у водорода, не хватает одного электрона. Оба атома хлора отдают по электрону, в результате чего внешний электронный слой каждого атома заполняется полностью и получает устойчивый октет.
 Хлор был первым отравляющим газом, примененным в военных целях |  Образование молекулы хлора из атомов и модель этой молекулы |
Хлористый водород
В представленных примерах молекула была образована из атомов одного элемента. Однако молекулы могут возникнуть и из атомов различных элементов. Так, у атомов водорода и хлора для заполнения внешнего слоя недостает по одному электрону. Поэтому за счет общей электронной пары они соединяются в молекулу хлористого водорода.
 При растворении хлористого водорода в воде образуется желудочный сок, необходимый для пищеварения |  Образование молекулы хлористого водорода из атомов водорода и хлора и модель этой молекулы |
Молекула воды
Молекула воды состоит из трех атомов – одного атома кислорода и двух атомов водорода. Во внешнем слое атома кислорода недостает двух электронов. Поэтому атом кислорода связывается с каждым из двух атомов водорода, образуя одну общую электронную пару.
 Вода – одно из важнейших веществ на Земле |  Образование молекулы воды из атомов водорода и кислорода и модель этой молекулы |
Общая электронная пара образуется между атомами элементов, обладающих схожими свойствами, когда отдача электронов одним атомом и присоединение их другим произойти не могут. Такую химическую связь можно сравнить с игрой в мяч между равными соперниками. Каждый из них стремится завладеть мячом. Но поскольку силы равны и мяч отобрать не удается, остается единственная возможность: поделить мяч между собой.
С помощью общей электронной пары возникает химическая связь, прежде всего, между атомами неметаллических элементов. Большинство веществ, составляющих живые организмы, образовано за счет таких химических связей между атомами углерода, водорода, кислорода и других элементов. К таким веществам относятся также углеводы, жиры и белки.
Химическая связь, возникающая в результате образования общей электронной пары, называется ковалентной связью (от лат. ko + valentia – совместная сила). В формулах ковалентную связь обычно обозначают черточкой: H – H, H – Cl.
Во внешнем слое атома фосфора содержится электрон(ов). Во внешнем слое атома хлора содержится электрон(ов). Если три атома хлора поделятся одним из своих электронов с атомом фосфора, во внешнем слое фосфора будет находиться электрон(ов). Чтобы образовались общие электронные пары, атом фосфора связывается с каждым из атомов хлора. Каждый атом хлора получает электрон(ов). В результате чего во внешнем электронном слое каждого атома хлора становится по электрону(ов). Связь, возникшая в результате образования общей электронной пары, называется связью.
- H и He
- N и Cl
- Na и Mg
- P и I
- S и O
- Li и O
- Ar и K
- H и Br
- Ne и Ar
Молекулярная масса
В предыдущих параграфах мы говорили о том, что масса атома обычно выражается в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а. е. м.) – это 1/12 массы атома углерода (массовое число углерода равно 12). Атомная масса углерода Ar(C) = 12. Как видим, атомная масса в атомных единицах массы равна массовому числу соответствующего элемента (изотопа). Сравнивая массы атомов элементов с а. е. м., можно найти численное значение атомной массы.
Масса атома (Ar), выраженная в атомных единицах массы, называется атомной массой.
1 а. е. м = 1,66·10–24 г
В таблице периодической системы указаны атомные массы остальных элементов:
Довольно часто в таблицах атомные массы указываются с высокой точностью, но для упрощения расчетов обычно используется атомная масса, округленная до целого числа.
Ar(N) = | Ar(As) = |
Ar(F) = | Ar(Si) = |
Ar(Br) = | Ar(B) = |
Ar(I) = | Ar(C) = |
Чтобы вычислить массу молекулы, нужно сложить массы всех атомов, входящих в ее состав. Масса молекулы, как и масса атома, выражается в атомных единицах массы.
Масса молекулы (Mr), выраженная в атомных единицах массы, называется молекулярной массой.
Атомная и молекулярная массы – величины относительные, то есть не имеют единиц измерения. Их значения определяются соотношением соответствующих масс атома или молекулы к атомной единице массы.
Для обозначения атомной и молекулярной масс (Ar и Mr) используют индекс «r» (начальную букву английского слова relative – относительный).
Mr(N2) = | Mr(H2SiF6) = |
Mr(CO) = | Mr(C20H30O) = |
Mr(NH3) = | Mr(C7H5N3O6) = |
Mr(H2SO4) = |
Дополнительное чтение. Размер молекул
Размер и масса молекулы зависят от количества и свойств атомов, входящих в ее состав. Мы рассматривали только маленькие молекулы, состоящие из нескольких атомов. Но в природе существуют молекулы значительно бóльших размеров. Например, формула молекулы хорошо известного нам сахара, или сахарозы, выглядит так: C12H22O11, и по размеру она намного больше молекулы воды.
В состав некоторых молекул могут входить десятки или сотни тысяч атомов. Из таких гигантских молекул состоят многие природные вещества, например, белки, а также многие искусственные материалы, например, полиэтилен и др.
Выводы
- Ковалентная связь – химическая связь, образованная общей (общими) электронной (электронными) парой (парами), обычно возникает между атомами неметаллических элементов: (например, H2, HCl, CO2).
- Атомная масса Ar – масса атома (в атомных единицах массы).
- Молекулярная масса Mr – масса молекулы (в атомных единицах массы).
- Атомная и молекулярная массы являются относительными величинами, т. е. их записывают без указания единиц измерения.
Вопросы и задания
- Что такое ковалентная связь?
- Что такое электронный октет?
- Что такое общая электронная пара? Как она образуется?
- Объясни возникновение следующих молекул из атомов: F2, HF, H2S.
- Что такое атомная единица массы? Для чего ее используют?
- Что такое атомная масса и молекулярная масса? В каких единицах они измеряются?
