Ионная связь тип кристаллической решетки: Виды химической связи

Содержание

Конспект по химии на тему «Ионная связь. Типы кристаллических решеток»

Крестики – нолики. Показать выигрышный путь, состоящий из формул с ионной связью.

В виде комиксов изобразите процесс образования ионной связи.

Опрос учащихся

1.Для того, чтобы познакомиться с кристаллическими решетками мы должны вспомнить, что такое: физическое тело, химическая связь, виды связей: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая, водородная

2.Составить схемы образования связи в веществах: N2, H2S, CaBr2

3.Выполните тест (проверка теста)

Закрепление изученного материала

1.Вещества находятся в различных агрегатных состояниях. Приведите примеры веществ, которые при различных температурах могут существовать во всех трех агрегатных состояниях.

Ответ: Вода. При обычных условиях вода находится в жидком состоянии, при понижении температуры ниже 00С вода переходит в твердое состояние — лед, а при повышении температуры до 1000С мы получим водяной пар (газообразное состояние).

Учитель (дополнение): Любое вещество можно получить в твердом, жидком и газообразном виде. Кроме воды – это металлы, которые при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, при нагревании начинают размягчаться, и при определенной температуре(tпл) переходят в жидкое состояние — плавятся. При дальнейшем нагревании, до температуры кипения, металлы начинают испаряться, т.е. переходить в газообразное состояние. Любой газ можно перевести в жидкое и твердое состояние, понижая температуру: например, кислород, который при температуре (-1940С) превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре (-218,80С) затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета. Сегодня на уроке мы будем рассматривать твердое состояние вещества.

Проблемный вопрос: металлы, пластилин, соль, шоколад, жевательная резинка, сера, образцы пластмасс, воск. Что общего в строении этих веществ, чем они отличаются?

Делаются предположения. Если ученики затрудняются, то с помощью учителя приходят к выводу, что пластилин в отличие от металлов и хлорида натрия не имеет определенной температуры плавления — он (пластилин) постепенно размягчается и переходит в текучее состояние. Таков, например, шоколад, который тает во рту, или жевательная резинка, а также стекло, пластмассы, смолы, воск (при объяснении учитель демонстрирует классу образцы этих веществ). Такие вещества называют аморфными, а металлы и хлорид натрия — кристаллические.

Таким образом, различают два вида твердых веществ: аморфные и кристаллические.

(слайд 5,6)

У аморфных веществ нет определенной температуры плавления, и расположение частиц в них строго не упорядочено.

Кристаллические вещества имеют строго определенную температуру плавления и, главное, характеризуются правильным расположением частиц, из которых они построены.(слайд 7)

Кристаллическая решетка – пространственный каркас вещества. (слайд8)

Свойства веществ в твердом состоянии зависят от типа кристаллической решетки (прежде всего от того, какие частицы находятся в ее узлах), что, в свою очередь, обусловлено типом химической связи в данном веществе.(слайд 9)

Вывод: Прослеживается логическая последовательность, взаимосвязь явлений в природе: Строение атома—>ЭО—>Виды химической связи—>Тип кристаллической решетки—>Свойства веществ. (слайд 10).

В зависимости от вида частиц и от характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, молекулярные, атомные и металлические. (Cлайд 11).

1. Молекулярная кристаллическая решетка (работа с таблицей и текстом параграфа)

1. Характеристика

У веществ с молекулярным строением в узлах кристаллической решетки находятся молекулы с прочными ковалентными связями между атомами. В то же время отдельные молекулы взаимосвязаны гораздо слабее, что делает молекулярный кристалл довольно непрочным. (слайд 12)

2. Аналогия

Можно уподобить эту структуру группе семейных пар (рис. 1). В каждой паре супругов связывают прочные узы брака (подобно прочной связи атомов внутри молекулы), а вот отношения между парами носят поверхностный характер: они могут дружить семьями, испытывать дружеские чувства, но довольно свободно могут обойтись и друг без друга.

Рис. 1 Группа супружеских пар (аналогия молекулярного кристалла) (слайд 13)

2. Ионная кристаллическая решетка

1. Характеристика

У веществ с ионной решеткой в узлах расположены разноименно заряженные ионы, удерживаемые силами электростатического притяжения. (слайд 14)

2. Аналогия

Уподобим эту структуру группе расположенных в шахматном порядке мужчин и женщин (рис. 2). Пусть мужчины символизируют катионы, а женщины — анионы. Тогда каждый человек оказывается в зоне действия обаяния окружающих его представителей противоположного пола, к которым он (она) в силу закона притяжения противоположностей испытывает интерес. Интерес этот одинаково выражен во всех направлениях, поскольку на рисунке — холостые мужчины и незамужние женщины. Этим и объясняется повышенная прочность ионного кристалла.

Рис. 2. Романтическая сила влечения (аналогия ионного кристалла)(слайд15)

3. Атомная кристаллическая решетка

1. Характеристика

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы, связанные прочными ковалентными связями в протяженную пространственную сеть. В этом случае структура отличается таким внутренним единством, что можно сказать, что весь кристалл представляет одну молекулу.

2. Аналогия.

Представим эту структуру в виде гимнастической пирамиды.

Рис. 3. Гимнастическая пирамида (аналогия атомного кристалла)(слайд 17)

Каждый гимнаст на ней символизирует атом углерода, связанный четырьмя ковалентными связями с соседними атомами. Целостность структуры поддерживается исключительно благодаря усилиям каждого из гимнастов. Таким образом, зависимость людей друг от друга в этой ситуации больше, чем на любом из предыдущих рисунков (это и является аналогией повышенной прочности атомного кристалла). Пирамида (см. рис. 3) демонстрирует также высокую взаимосвязанность узлов атомной кристаллической решетки: стоит одному из гимнастов ослабить только одну связку, и вся структура может рухнуть.

4. Металлическая кристаллическая решетка

1. Характеристика

Этим типом кристаллической решетки обладают металлы с металлической химической связью. (слайд18)

2. Аналогия

Для иллюстрации строения металлов в твердом состоянии найдена особенно экстравагантная аналогия. Группа мужчин (рис. 4) изображает катионы металлов (узлы металлической кристаллической решетки). Все пространство между ними заполнено летающими пчелами (это, понятно, свободные электроны). Рисунок убедительно иллюстрирует силы, удерживающие одноименно заряженные катионы в узлах решетки: при всем желании деваться некуда – всюду пчелы!

Рис. 4. Среди пчел (аналогия структуры металла)(слайд 19)

Вывод: Существует следующая закономерность: если известно строение веществ,

то можно предсказать их свойства, или наоборот: если известны свойства

веществ, то можно определить строение. (слайд 21)

Работа с текстом параграфа, таблицами «Типы кристаллических решеток», «Зависимость свойств веществ от вида химической связи»

Задание для работы в группе:

1 группа

1. Какие должны быть отличительные свойства веществ с молекулярной решеткой?

2. Каково их агрегатное состояние?

3. Приведите примеры веществ с молекулярной кристаллической решеткой?

2 группа

1. Какие должны быть отличительные свойства веществ с ионной решеткой?

2. Каково их агрегатное состояние?

3. Приведите примеры веществ с ионной кристаллической решеткой?

3 группа

1. Какие должны быть отличительные свойства веществ с атомной решеткой?

2. Каково их агрегатное состояние?

3. Приведите примеры веществ с атомной кристаллической решеткой?

4 группа

1. Какие должны быть отличительные свойства веществ с металлической решеткой?

2. Каково их агрегатное состояние?

3. Приведите примеры веществ с металлической решеткой?

(слайд 22,23,24)

Зачеркните по вертикали, горизонтали, диагонали вещества, имеющие одинаковую кристаллическую решетку.

Закрепление:

1. Вид частиц в ионной решетке:

2. Характер химической связи в атомной решетке: 3. Прочность связи в молекулярной решетке 4. Агрегатное состояние у веществ с ионной решеткой: 5. Очень тугоплавкими являются вещества с решеткой: 6. Пластичностью обладают вещества с: 7. Кремний имеет решетку: 8. Щелочи имеют решетку: б) металлическую

9. Вода имеет решетку:

б) металлическую

Подведение итогов урока

Какие классификации веществ вы узнали?

Как вы понимаете термин кристаллическая решетка.

В каком агрегатном состоянии вещества имеют кристаллические решетки?

Какие типы кристаллических решеток вы теперь знаете?

О какой закономерности строения и свойств веществ вы узнали?

Д/З §56 изучить, упр 4 стр. 198

Решетка ионная — Справочник химика 21

    Движущую силу — напряженность поля // при вычислении абсолютных подвижностей принимаем равной единице. Следовательно, скорость движения ионов обратно пропорциональна их радиусу. Рассмотрим ряд Ы+, На+, К» . Так как в указанном ряду истинные радиусы ионов увеличиваются, то подвижности должны уменьшаться в той же последовательности. Однако в действительности это не так. Как видно из табл. ХУП, 2, подвижности увеличиваются при переходе от к К» почти в два раза. Из этого можно сделать заключение, что в растворе и в ионной решетке ионы обладают разными радиусами. При этом чем меньше истинный радиус иона, тем больше его эффективный радиус в электролите. Это явление можно объяснить тем что в растворе ионы не свободны, а гидратированы или, в общем случае, сольватированы. Тогда эффективный радиус [c.430]
    Механизм электролитической диссоциации — распада молекул или кристаллов растворяемого вещества на ионы под влиянием молекул растворителя — был понят несколько позднее, благодаря исследованиям различных ученых, в том числе русских В. А. К и с т я-ковского и И. А. Каблукова. Согласно современным воззрениям, такой распад является результатом взаимодействия полярных молекул растворителя, например воды, с молекулами или кристаллической решеткой растворяемого вещества. Молекулы растворителя атакуют кристаллическую решетку, разрушая ее и переводя составные части решетки (ионы) в раствор в форме сольватированных 
[c.68]

    Более совершенная теория Борна и Мейера дает для энергии решетки ионного кристалла выражение  [c.334]

    По строению вещества Молекула, молекулярная или атомная решетка Ионный кристалл (ионная кристаллическая решетка) Кристалл металла (металлическая решетка) [c.

57]

    Энергия кристаллической решетки ионного кристалла может быть вычислена независимым путем, если известны радиусы ионов. Для бинарного кристалла АВ эта величина рассчитывается по формуле  [c.213]

    В больщинстве случаев поляризующее влияние катиона и поляризуемость анионов (особенно таких, как анион иода, серы,кислорода) приводят к увеличению ковалентного характера связей. Другим фактором, оказывающим действие на состояние связей, является степень экранирования катиона соединенными с ним анионами. Так, например, в решетке хлорида натрия анионы хлора в гораздо меньшей степени экранируют катион, чем в решетке хлорида алюминия или олова (IV). Решетка хлорида алюминия, возникшая при конденсации газообразного хлорида, имеет все шансы сохранить в узлах молекулы — ее ионный характер выражен очень слабо. Но уже фторид алюминия, в молекуле которого ион алюминия окружен анионами меньшего радиуса, дает при конденсации решетку ионного типа и само соединение имеет солеобразный характер.

[c.281]

    Напомним, что, согласно изложенному в разд. 7.3, ч. 1, анионы, как правило, имеют большие радиусы, чем катионы. Поэтому можно представить себе кристаллическую решетку ионного вещества в виде плотноупакованной анионной структуры, в которой тот или иной тип дырок занят катионами. Относительные размеры катионов и анионов определяют тип дырок, занимаемых катионами. Наиболее устойчивая структура достигается при максимальном числе контактов между катионами и анионами, что соответствует наибольшей суммарной величине сил электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами в кристаллической решетке ионного вешества. Однако устойчивая структура не может существовать при наличии прямых контактов между анионами, которые привели бы к появлению слишком больших электростатических сил отталкивания. Рассмотрим подробнее различные возможности на примере ситуации, когда небольшие катионы в точности заполняют тетраэдрические дырки, образованные плотноупакованным расположением анионов.

Как было указано, такая ситуация возникает при условии, что отношение радиусов катиона и аниона rJr равно 0,225. При таком условии катион касается четырех окружающих его анионов. Теперь посмотрим, что произойдет, если размер катиона начнет увеличиваться, так что станет выполняться условие rJr > 0,225. В таком случае анионы раздвигаются, что уменьшает дестабилизующие контакты между ними, тогда как стабилизующие структуру катионно-анионные контакты сохраняются. Однако, когда отношение радиусов достигает значения 0,414, положение катиона в тетраэдрической дырке перестает быть устойчивым. Более устойчивым положением для катиона становится октаэдрическая дырка, находясь в которой он обеспечивает большее число 
[c.352]


    Как было указано, при растворении веществ с ионными и сильно полярными решетками ионы не образуются, так как они уже существуют в решетке. Растворитель в этих случаях лишь разделяет и отделяет друг от [c. 392]

    Под действием электрических полей, создаваемых ионами электролита, полярные молекулы растворителя, например воды, притягиваются ионами, ориентируются около них (рис. 139) и в свою очередь, притягивая ионы к себе, ослабляют этим связь между ними. Подобным же образом они действуют и на ионы, составляющие решетку ионного кристалла (рис. 140). [c.384]

    Теория электролитической диссоциации не сразу получила признание. Одним из возражений, которые выдвигались против этой теории, было то, что теория не указывала сил, вызывающих диссоциацию электролитов на ионы в растворе. Энергетические затраты на ионизацию твердых солей довольно велики — энергия решетки ионных кристаллов часто измеряется сотнями кДж/моль. Теория электролитической диссоциации не объясняла, за счет чего могли быть покрыты эти затраты и процесс ионизации в растворе мог стать самопроизвольным. 

[c.431]

    Энергия решетки ионных кристаллов. Идеальный ионный кристалл состоит из регулярно расположенных положительных и отрицательных ионов, взаимодействующих электростатически. Ионы несут на себе заряды, кратные заряду электрона заряд на ионе распределен сферически. Основными силами взаимодействия меж- [c.12]

    Довольно простое выражение для оценки энергии решетки ионных кристаллов предложено А. Ф. Капустинским  [c.334]

    Отталкивание одноименно заряженных ионов обусловливает расположение их на возможно большем расстоянии друг от друга. Это приводит к осуществлению наиболее симметричного распределения ионов вокруг центрального иона. Поэтому в решетках ионных солей чаще всего встречается высокая локальная симметрия окружения ионов. 

[c.347]

    Рис. в.1. Действие деформирующей силы на слои решетки ионного кристалла. [c.349]

    Экспериментально определить энергию кристаллической решетки ионного соединения очень сложно. Ее можно вычислить посредством термодинамического цикла (цикл Борна — Габера), воспользовавшись другими известными энтальпиями превращений, которым может подвергаться исследуемое ионное соединение.[c.214]

    Объяснение. Как известно, кристаллы сильно полярных солей состоят из ионов, которые образуют так называемую кристаллическую решетку. Ионы в такой решетке связаны между собой электростатическими силами притяжения. Силы взаимодействия в ионных кристаллах весьма значительны. В твердом виде ионные кристаллы не проводят электрический ток, так как в них электроны прочно удерживаются в атомных орбитах отдельных ионов. В расплавленном состоянии кристаллические вешества проводят электрический ток, причем электропроводность осуществляется за счет переноса ионов. 

[c.68]

    Двойные соли и смешанные соли. При кристаллизации смеси KF и Mgp2 образуются кристаллы состава KMgp3. Кристаллическая решетка дсй соли представлена на рис. 98. Здесь не видно, чтобы какой-либо комплекс занимал место в решетке, представлял структурную единицу решетки. Ионы и F образуют кристаллическую решетку, центрированную в гранях, узлы которой заняты этими ионами. Ионы Mg + и образуют решетку, центрированную в пространстве.[c.183]

    Ионная решетка. Ионные кристаллы имеют в узлах пространственных решеток положительно и отрицательно заряженные ионы, которые связаны между собой электростатическими силами притяжения разноименных зарядов. Силы взаимодействия в ионных кристаллах весьма значительны, благодаря чему вещества с ионным типом решетки обладают высокой прочностью, высокими температурами плавления и малой летучестью. 

[c.32]

    Возможность образования ионной атмосферы вытекает из статистической теории электролитов. Распределение ионов в растворе следует рассматривать как промежуточное между беспорядочным распределением молекул в жидкости и упорядоченным распределением частиц в кристаллической решетке. Ионы в растворе в каждый данный момент времени распределены не хаотически, а в некоторой степени упорядоченно благодаря кулоновскому притяжению зарядов противоположного знака. В каждый момент времени вокруг любого из ионов формируется оболочка из ионов противоположного заряда — ионная атмосфера (рис.

6.1,а). [c.286]

    Как видно из табл. 1.8, в периодах с увеличением порядкового номера элемента температуры плавления и кипения их фторидов и хлоридов закономерно снижаются. Тугоплавкие и нелетучие галиды в жидком состоянии электропроводны и кристаллизуются в решетках ионного типа. Легкоплавкие и летучие галиды в жидком состоянии не проводят электричества, а кристаллизуются в решетках молекуляр-ного типа. Встречаются галиды с промежуточными свойствами, например трихлорид алюминия. Примерно аналогичная картина изменения свойств наблюдается у фторидов и хлоридов элементов больших периодов, а также у бромидов и иодидов. [c.56]

    Как видно из табл. 1.9, наиболее тугоплавкими и наименее летучими являются оксиды элементов второй группы периодической системы — бериллия и магния. При дальнейшем увеличении порядкового номера элементов в периодах температуры плавления и кипения их оксидов снижаются. В жидком состоянии электропроводны только оксиды металлических элементов они кристаллизуются в решетках ионного типа.

Легкоплавкие оксиды неметаллических элементов не проводят электричества в жидком состоянии и кристаллизуются в решетках молекулярного типа. [c.57]


    В Сб] показано, что основной вклад в полную энергию решетки ионных соединений вносят энергия электростатического взаимодействия и энергия перекрытия. Для энергии перекрытия в настоящее время используются выражения [c.223]

    Расчет энергии кристаллической решетки ионного кристалла. [c.14]

    Энергию решетки ионного кристалла можно рассчитать с помощью закона Гесса по циклу Борна —Габера с учетом значений теплоты образования соединений, теплоты сублимации компонентов. Так, например, расчет энергии решетки СаЗО проводят по схеме  [c.14]

    Твердые растворы металлов также обладают свойствами, качественно напоминающими свойства индивидуальных металлов, но количественно отличающимися от них и зависящими от состава растворов, который может изменяться в довольно широких пределах. Среди компонентов твердого раствора различают металл—растворитель и растворенный металл. Растворителем считается металл, который сохраняет свою кристаллическую решетку при образовании раствора и содержание которого в растворе должно быть не менее определенного значения. Ионы растворяемого металла постепенно замещают в кристаллической решетке ионы металла—растворителя (растворы замещения) или же располагаются между ионами металла—растворителя (растворы внедрения). Содержание растворенного металла в твердом растворе может быть не больше определенной величины. В случае, когда различные металлы с близкими кристаллическими решетками способны образовать твердые растворы в любых количественных соотношениях, уже нет возможности отличать растворенный металл от металла—растворителя, а приходится считать, что металлы взаимно растворяют друг друга. [c.32]

    Кристаллическая решетка Сз 1 (рис. 78) представляет собой сочетание двух простых кубических решеток решетки иона Сз н решетки иона Г, вдвинутых одна в другую так, что в центре куба находится ион иода, а в углах — ионы Сз+. Эта решетка центрирована в пространстве с той лишь разницей, что в центре куба находится анион, а в углах — катионы. [c.135]

    Здесь ионы Са- образуют кристаллическую центрированную в гранях решетку, ионы же Р» расположены в срединах 8 маленьких кубов, на которые может быть разложен большой куб. [c.135]

    Молекулярные кристаллы (метан, иод, аргон и т. п.) характеризуются малой энергией решетки. Так, для аргона она равна (на моль) всего 7,52 Дж. Образование водородных связей (кристаллы льда) увеличивает энергию решетки (для воды — льда она составляет 4,18 кДж/моль). Кристаллы металлов гораздо прочнее энергия решетки никеля равна 422,18 кДж/моль. Еще выше энергия решетки кристаллов с ковалентной связью атомов так, для алмаза она достигает 710,6 кДж/моль. Того же порядка значения энергии решетки ионных кристаллов (для хлорида натрия 773,3 кДж/моль). [c.275]

    В узлах решетки ионных кристаллов находятся ионы. Структуры ионных решеток образуются при соединении типичных металлических элементов с неметаллами, расположенными в конце 2-го и 3-го периодов. Примерами могут служить кристаллы хлорида и фторида натрия, калия и других металлов главной подгруппы [c.276]

    В решетке ионных кристаллов — чисто ионная связь, т. е. связь, для которой полный перенос электронов от катиона к аниону скорее исключение, чем правило. Лишь для кристаллов типа хлорида натрия можно говорить о полном переносе заряда. Интеграл перекрывания одноэлектронных орбиталей ионов натрия и хлора оценивается значением —0,06. Можно сказать, что это чисто ионная связь. По отношению к этому же соединению сопоставление энергии электростатического взаимодействия с энергией ковалентного взаимодействия (непосредственно связанной с тем,-что называют поляризацией электронной оболочки) показывает, что вклад электростатического взаимодействия значительно больше и составляет (по Коулсону) для хлорида натрия 8,92 эВ, в то время как соответствующее значение для ковалентного взаимодействия 0,13 энергия отталкивания в этом случае равна —1,03 эВ (энергия, называемая нулевой , т. е. нулевая колебательная энергия, равна всего —0,08 эВ и ее часто вообще не принимают в расчет). К ионным кристаллам относятся кроме соединений типичных галогенов со щелочными металлами также и некоторые оксиды, в частности оксиды кальция и магния, в которых по экспериментальным данным имеются отрицательные двухзарядные ионы кислорода. В большинстве случаев ковалентный вклад больше. Кристаллы алмаза, кремния, германия, карборунда, серого олова содержат прочные ковалентные связи, так что любую часть этих веществ вполне и без всяких оговорок можно рассматривать кан молекулу макроскопических размеров. [c.281]

    Энергия решетки ионного кристалла при Г = О К равна изменению энергии в следующем процессе [АХ] —> (А» ) 4- (Х ). Эта величина может быть определена экспериментально с помощью цикла Борна — Габера. [c.181]

    По урггвнениям (Х. ) рассчитаем энергию решетки ионного кристалла. Для этого 1юдставляем в (Х.35) заряды ионов Zi = 2 Ъг = 1 и Ия = 3 — 0,74 10 м га- =f= 1,81 10 м. Тогда [c.141]

    Кристаллическую решетку ионного соединения можно рассматривать как бесконечное повторение минимального трехмерного участка (параллелепипеда), называемого элементарной ячейкой. В соответствии с симметрией элементарной ячейки кристаллическую решетку относят к одной из кристаллических систем (сингоний) кубической, тетрагональной, гексагональной, тригональной, орторомбической, моноклинной и триклинной (в порядке убывания симметрии). Нена-сыщаемость и ненаправленность ионной связи приводят в большинстве ионных кристаллов к образованию структур так называемых плотнейших упаковок. Это кубические решетки типов Na I и s l (рис. 60), сфалерита (ZnS) и флюорита (СаРг), гексагональные типа ZnO и др. [c.129]

    По уравнениям (X. 35) рассчитаем энергию решетки ионного кристалла. Для этого подставляем в (X. 35) заряды ионов 2х = 2 2 = I й 2л = 3 гмвг-ь = 0,74-10 м га- = 1,81-10″ м. Тогда [c.150]

    Энергия решетки конного кристалла определяет целый ряд его физических свойств. Работы Борна и Капустинского создали количественную теорию решетки ионных кристаллов. Стабильность кристалла тем выше, чем выше энергия решетки. Из формул Борна и Капустинского следует, что наиболее стабильны решетки, образованные небольшими и сильно заряженными ионамн. Этот вывод подтверждается сравнением свойств, зависящих от энергии решетки для ряда ионных кристаллов (твердость, температура плавления [c.170]

    Энергией кристаллической решетки ионного соединения, ЛЯкр, называют то количество энергии, которое требуется для удаления 1 моль ионов из решетки на расстояние, при котором силы взаимодействия между ионами бесконечно малы. Например, для кристалла Na l стандартная энергия кристаллической решетки равна  [c.213]

    Как известно (1.4 и 1.9), справедливость закона постоянства состава подтверждается тем, что в состав молекулы каждого химического соединения входит вполне определенное и притом целое число атомов того или иного элемента. Однако далеко не все вещества можно рассматривать как вид определенных молекул. Реальные молекулы составляют вещества в газовом состоянии, в виде неассоциированных жидкостей и кристаллов с решетками молекулярного типа. В иных же состояниях веществ, а особенно в кристаллах с решетками ионного, атомного и металлического типов, молекулы теряют свою реальность, а потому и не могут характеризовать данные вещества. В связи с этим и возникло убеждение в неправомерности закона постоянства состава химических соединений. Это как будто бы под 1 верждается существованием соединений, получивших название нестехиометрических, бер-толлидов или фаз переменного состава. [c.20]

    Простые соли — соединения типичных металлических элементов с окислительными элементами (оксоидами). Связь между атомами в молекулах простых солей, находящихся в газовом состоянии, преимущественно ионная, по крайней мере для типичных случаев (т. е. для соединений наиболее активных, например щелочных, металлов с активными оксоидами, например галогенами). Простые соли характеризуются кристаллическими решетками ионного типа, а в жидком состоянии — ионной электропроводностью. Несомненно, что к классу простых солей должны быть отнесены оксиды и нитриды активных металлов, поскольку они характеризуются теми же типичными для солей признаками гидриды наиболее активных (например, щелочных) металлов также являются простыми солями, обладая всеми их признаками. Характерной химической функцией простых солей является их способность бьта донорами положительно и отрицательно заряженных элементарных ионов, сочетаниями которых они являются. [c.51]

    Кристаллические решетки ионных соединений. Решетку можно рассматривать как бесконечное новторение минимального трехмерного участка (пареллелепипеда), называемого элементарной ячейкой. В соответствии с симметрией элементарной ячейки кристаллическую решетку относят к одной из семи кристаллических систем (сингоний) кубической, тетрагональной, гексагональной, тригональной, орторомбической, моноклинной и триклинной (в порядке убывания симметрии).[c.167]

    В твердом агрегатном состоянии у веществ могут образоваться не только ионные кристаллические решетки (решетки ионных кристаллов типа НаС1), но также молекулярные и атомные. Так, твердый иод и твердый диоксид углерода (сухой лед) имеют молекулярные решетки, в узлах которых находятся молекулы I, и СО2 соответственно, а алмаз и графит — атомные решетки, имеющие в узлах атомы углерода С и отличающиеся расположением этих узлов в пространстве. [c.52]

    Ионы [РЮ1б]2″ занимают углы кубической, центрированной в гранях, кристаллической решетки. Ионы К составляют куб. [c.135]

    Для галидов щелочных и щелочноземельных металлов харак-кулярных, образующих молекулярные решетки. Степень ковалент-рированная решетка хлорида натрия. Хлорид, бромид и иодид цезия кристаллизуются в решетке типа объемно центрированного куба. Тип решетки ионного кристалла определяется правилом, основанным на простых геометрических соображениях отношение радиусов катиона и аниона 0,2 соответствует решетке типа сульфида цинка если это отношение лежит в пределах от 0,22 до 0,41, мож- [c. 293]


Физическая и коллоидная химия (1988) — [ c.30 , c.31 ]

Краткий курс физической химии (1979) — [ c.348 ]

Общая химия в формулах, определениях, схемах (1996) — [ c.78 ]

Органикум. Практикум по органической химии. Т.2 (1979) — [ c.197 ]

Общая химия в формулах, определениях, схемах (0) — [ c.78 ]

Общая химия в формулах, определениях, схемах (1985) — [ c.78 ]

Общая химия в формулах, определениях, схемах (0) — [ c.78 ]

Общая химия ( издание 3 ) (1979) — [ c.143 ]

Общая и неорганическая химия (1959) — [ c. 111 ]

Физическая и коллоидная химия Издание 3 1963 (1963) — [ c.102 ]

Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников Издание 2 (1973) — [ c.98 , c.313 , c.314 , c.529 ]

Общая химия (1968) — [ c.114 ]


Химическая связь типы кристаллических решеток

Химическая связь. Типы кристаллических решеток

Вариант 1

Часть А

А- 1 Число валентных электронов в атоме углерода равно
1) 12, 2) 2, 3) 6, 4) 4
А -2 Наибольший радиус у атома элемента, со строением электронной оболочки
1) )2 2) ) 2)2 3) )2)8)2 4) )2)8 )8 )2

А -3 С увеличением зарядов ядер радиусы атомов элементов одного периода

1) увеличиваются 2) меняются периодически
3) уменьшаются 4) не изменяются

А- 4 Ряд элементов, расположенных в порядке уменьшения атомного радиуса 1) С1, F, I 2) I, С1, F 3) С1, I, F 4) F, С1, I

А -5 Укажите пару веществ, образованных только ковалентной связью.
1) Р2О5 и Р4 2) СаС2 и СО2 3) О2 и КF 4) СаО и N2О5

А- 6 Связь между магнием и серой в сульфиде магния
1) ковалентная неполярная 2) ионная
3) ковалентная полярная 4) металлическая
А -7 Электронная плотность смещена к атому серы в соединении

1) SО2 2) S8 3) SО3 4) H2S

А-8 Кристаллическая решётка серы

1) атомная 2) молекулярная 3) ионная 4) металлическая

А -9 Частицы, находящиеся в узлах кристаллической решётки

алмаза, 1) ядра атомов 2) ионы 3) атомы 4) молекулы

Часть В

В-1 Запишите название химической связи в веществе, образованном атомами элементов с порядковыми номерами 3 и 17
Ответ: _____________________
В-2 Установите соответствие между типом кристаллической решетки и названием вещества.

ТИП РЕШЕТКИ НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
1)ионная А) поваренная соль
2) атомная Б) цинк
3) молекулярная В) алмаз
4) металлическая Г) кислород

Запишите в таблицу буквы, соответствующие выбранным ответам

Химическая связь. Типы кристаллических решеток

Вариант 2

Часть А

А- 1 Число валентных электронов в атоме серы равно

1)2 2)6 3)16 4)32

А-2 Наименьший радиус у атома элемента со строением электронной оболочки
1) )1 2) ) 2)1 3) )2)8)1 4) )2)8 )8 )1

А-3 С увеличением зарядов ядер радиусы атомов элементов одной группы
1) увеличиваются 2)уменьшаются
3) меняются периодически 4) не изменяются
А- 4 Ряд элементов, расположенных в порядке увеличения атомного радиуса 1) О,С,F 2)С,О,F 3) С,F,О 4) F,О,С

А-5 Укажите пару веществ, образованных только ковалентной связью
1) Н2S и СаСI2 2) Nа2О и О2 3) N2 и Н3N 4) NаС1 и Р2O5
А-6 Связь между калием и хлором в хлориде калия
1) ковалентная неполярная 2) ионная
3) ковалентная полярная 4) металлическая

А-7 Электронная плотность смещена к атому углерода в соединении

1)СО 2)СО2 З) СН4 4) ССI4

А-8 Кристаллическая решетка алмаза

1) атомная 2) ионная З) молекулярная 4) металлическая

А-9 Частицы, находящиеся в узлах кристаллической решётки хлорида натрия, 1) ядра атомов 2) ноны З) атомы 4) молекулы

Часть В

В-1 Запишите название химической связи в веществе, образованном атомами элементов с порядковыми номерами 8 и 19
Ответ: _________________
В-2 Установите соответствие между типом кристаллической решетки и названием вещества.

ТИП РЕШЕТКИ НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
1)ионная А) оксид кремния
2) атомная Б) озон
3) молекулярная В) кальций

4) металлическая Г) нитрат калия

Запишите в таблицу буквы, соответствующие выбранным ответам.

Новая страница 0



Новая страница 0

ТЕМА: Кристаллические решетки.

(

химия 9 класс)

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ:

Систематизировать знания учащихся о типах химической связи.

Изучить понятия: «Кристаллическая решетка», «типы кристаллических решеток» (ионная, атомная, молекулярная).

Рассмотреть зависимость физических свойств простых и сложных веществ от типа кристаллической решетки. Устанавливая связь со свойствами, предсказывать тип кристаллической решетки на основе свойств веществ и наоборот.

Развивать творческие способности ребят и умение самостоятельно работать с источниками знаний.

Воспитывать культуру работы в группе.

     ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ:

групповая (в зависимости от знака зодиака четыре группы – стихии: «Вода», «Земля», «Огонь», «Воздух»).

МЕТОДЫ И ПРИЕМЫ:

самостоятельная работа школьников с учебником и дополнительной литературой, демонстрация подготовленных творческих заданий, лабораторная работа, составление таблицы.

ОБОРУДОВАНИЕ:

магнитная доска; модели кристаллических решеток алмаза, графита, хлорида натрия; набор стекол; алмазное сверло; вода, хлорид натрия, хлорид калия, кислород, водород;

на столах учеников – инструкции-задания, справочный материал, дополнительная литература.

 

 

 

ХОД УРОКА.

Учитель сообщает учащимся, что работа на уроке будет проходить по группам:

1-

я группа – стихия «Земля»;

2-

я группа – стихия «Вода»;

3-

я группа – стихия «Воздух»;

4-

я группа – стихия «Огонь».

Вводная часть

УЧИТЕЛЬ. Мы с вами изучили тему «Периодический закон и строение атома», имеем представление о химической связи, познакомились типами и видами химической связи. Вопросы к классу:

Что называется химической связью?

Какие типы химической связи вы знаете?

Какие виды ковалентной связи вам известны?

Для того чтобы определить вид ковалентной связи мы пользуемся понятием «электроотрицательность». Дайте определение этого понятия.

Используя знания о строении атомов, типах и видах химической связи, попытаемся установить причинно-следстенные связи между ними .

(

Школьники отвечают, и учитель открывает часть таблицы №1)

Таблица 1

Строение атомов химических элементов Типы химической связи между ними
                 Причина                                                                      следствие
А теперь выполняем задание №1. Определить тип химической связи и составить схему образования связи в соединениях:

1-

я группа – PCl3

·· ··

: Cl : : Cl :

·· : ·· ·· : ··

(: Cl ·· P ·· Cl : : Cl ·· P ·· Cl 🙂

·· ·· ·· ·· ·· ··

2-

я группа – O2

·· ·· ·· ··

(: O · + · O : : O (: 🙂 O 🙂

ֹ ֹ

3-

я группа – CaCl2 ·· ··

( Ca: + · Cl : Ca2+[: Cl : ]¯2).

·· ·· ·· ·Cl :

··

4-я группа – NH3, O2 (на магнитной доске схематично изобразить строение молекул). Представитель от каждой группы выполняет задание у доски, в это время остальные ученики выполняют лабораторную работу.

Лабораторная работа.

Составить шаро-стержневые модели молекул:

1-

я группа – CH4.

2-

я группа – H2O.

3-

я группа – F2.

4-

я группа – NaCl. Затем идёт проверка выполнения заданий №1 и лабораторной работы. УЧИТЕЛЬ. Вы все готовили к уроку творческие задания: сочиняли сказки, загадки, стихи, готовили пантомимы по теме «Химическая связь». Давайте послушаем и посмотрим некоторые отчёты по творческим заданиям и ответим на вопрос: о каком виде химической связи идёт речь? ПЕРВЫЙ УЧЕНИК. СКАЗКА О ЖАДНОМ ХЛОРЕ. В некотором царстве, химическом государстве, жил-был Хлор. И хотя принадлежал он к старинному роду Галогенов, да и наследство получил немалое, на внешнем энергетическом уровне было у него семь электронов, был он очень жадным и завистливым, а от злости стал даже жёлто-зелёным. Днём и ночью мучило его одно желание: сделаться похожим на Аргон. Он не раз слышал, как все хвалили его соседа за благородство, независимый нрав, умение владеть собой, и ещё больше зеленел от зависти. Стал он думать, как сделаться похожим на Аргон. Думал он, думал, и, наконец, придумал. «У Аргона на внешнем уровне восемь электронов, а у меня только семь, — рассуждал Хлор. – Значит, мне надо заполучить ещё один электрон, тогда я тоже буду благородным». На следующий день собрался Хлор в дорогу за заветным электроном, но далеко идти ему не пришлось: возле самого дома встретил он атом, похожий на него как две капли воды.

Слушай, брат, дай мне свой электрон, — заговорил Хлор.

Нет уж, лучше ты мне дай электрон, — ответил близнец.

Ладно, давай тогда объединим наши электроны, чтобы никому не было обидно, — сказал жадный Хлор, надеясь, что потом он заберёт электрон себе.

Но не тут-то было: оба атома в равной степени пользовались общими электронами, несмотря на отчаянные усилия жадного Хлора перетянуть их на свою сторону. Тот, второй, был той же породы.

Не добившись своего, пошёл Хлор дальше искать кого-либо послабее. Вскоре повстречался ему Водород, самый маленький, самый лёгкий из всех жителей царства. Уж у этого я запросто отниму электрон! – обрадовался Хлор. Доверчивый малыш не отказался образовать общую электронную пару, ведь он был очень скромным (для полного счастья ему хватило бы и двух электронов). Хлор сразу же бесцеремонно оттащил пару электронов к себе и лишь изредка отпускал их побегать возле ядра Водорода. Непритязательный Водород был доволен и этим, но Хлору этого было мало. И когда он окончательно убедился, что, несмотря на тщедушность Водорода, полностью отобрать у него электрон не удастся, двинулся дальше на поиски очередной жертвы.

Видит: у дороги сидит Калий из древнего, но разорившегося рода Щёлочных Металлов. «Ну, этого я точно обману! Ведь Калий и вся его родня, известные простофили», — подумал Хлор. Калий – добрая душа, не раздумывая, подарил свой единственный электрон с внешнего уровня Хлору. Недаром в народе говорят: тот, кто имеет меньше, отдаёт тем, кто имеет больше.

«

Наконец-то я стал благородным! Я свободен и независим!» – воскликнул Хлор. Но как он ошибался! В тот же миг, получив от Калия его электрон, он перестал быть прежним атомом: он превратился в отрицательный ион. Мало этого! Презираемый им Калий ни за что не хотел расстаться с ним. Так до конца своих дней и таскал за собой анион Хлора ненавистный ему катион Калия…

Может, судьба Хлора сложилась бы иначе, если бы помнил он народную мудрость: чужое добро впрок не идёт.

ВТРОЙ УЧЕНИК. ИСТОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО ГОСУДАРСТВА.

Много-много лет назад было создано химическое государство злым угнетателем Металлов королём Фтором.

При короле Фторе была шайка Неметаллов, паразитирующих и угнетающих Металлы. Доверчивые Металлы, имеющие за душой только один или два электрона, обирались Неметаллами до нитки и становились положительно заряженными ионами. Более богатые Неметаллы угнетали более бедных и брали с них высокие налоги.

Сохранилась старинная гравюра, изображающая Литий, порабощённый Фтором:

ТРЕТИЙ УЧЕНИК. ОКСИД КАЛЬЦИЯ (НЕГАШЁНАЯ ИЗВЕСТЬ)

Кальций был металлом щёлочно-земельным

И стоял в подгруппе главной

Со второй валентностью.

Кислород же там летал

И всех в таблице окислял.

Он и в группе был шестой,

Но с валентностью второй.

Как-то раз наш кислород

Предложил пойти в поход.

Тут наш Кальций согласился,

К Кислороду он сместился.

И они пошли в поход,

Через группы и ряды,

Через периоды прошли.

Кислород тут стал бурчать

И на Кальция ворчать.

Кальций сразу в позу встал.

Кислород его окислил,

Отобрав два электрона.

Кальций сразу стал ионом

Но каким он стал ионом?

Вам и надо тут сказать.

Получилась известь наша

Негашёная, но всё же!

ЧЕТВЁРТЫЙ УЧЕНИК. СКАЗКА.

Жил-был Водород. Всё у него было: и машина, и гараж, и трёхкомнатная квартира в семиэтажном доме на первом этаже.

Жил бы Водород и сейчас, но взбрело ему в голову, чтобы стать весомее в химическом государстве, надо приобрести ему один электрон. И вспомнил Водород про своего приятеля Азота. Подумав, он пошёл к Азоту, взяв с собой двух своих братьев из семьи Водородовых.

Встреча прошла прекрасно, при этом образовалось соединение с валентным углов 107 градусов. Только вот забыл Водород, как называется его соединение с Азотом. Ребята, напомните ему, пожалуйста! Благодаря какой химической связи образовалось новое соединение?

ПЯТЫЙ УЧЕНИК. ТРАГИЧЕСКАЯ СУДЬБА ХЛРОВОДОРОДОВЫХ.

Жили-были Хлорина и Водород. Однажды ночью Водород сделал предложение Хлорине, она согласилась. Обвенчаться они хотели сейчас же, но было темно, поэтому им пришлось ждать до утра. И вот при дневном свете в 1772 году они обвенчались. Их священником был Джозеф Пристли. Хлорина, отличавшаяся большей электроотрицательностью, стала оттягивать у Водорода его единственный электрон. Водород захотел порвать всякую связь со своей новой женой, но не смог. Венчание происходило на улице. Молодожёны Хлороводородовы вдруг

начали дымить. Ища спасения, супруги бросились в реку. Растворившись, они образовали Соляную Кислоту.

ШЕСТОЙ И СЕДЬМОЙ УЧЕНИКИ под музыку демонстрируют образование молекулы кислорода O2.

ВОСЬМОЙ И ДЕВЯТЫЙ УЧЕНИКИ — HCl

ДЕСЯТЫЙ И ОДИННАДЦАТЫЙ УЧЕНИКИ — NaCl. У них на груди приколоты таблички, демонстрирующие число валентных электронов, а в руках – надувные шары, показывающие число неспаренных электронов. Взявшись за руки, они демонстрируют образование в случае ковалентной связи общих электронных пар. В случае ионной связи один из учеников (Хлор) забирает шар (валентный электрон) у другого (Натрия).

УЧИТЕЛЬ. Итак, я вижу, что вы хорошо разобрались в типах и видах химической связи. Эти знания пригодятся вам при изучении новой темы: «Кристаллические решётки».

Ученики записывают в тетради название темы урока.

Основная часть

УЧИТЕЛЬ. Мир веществ велик и разнообразен. Они обладают самыми разными свойствами. Мы с вами выделяли физические и химические свойства веществ. Какие свойства мы относим к физическим? Используя справочники и дополнительную литературу, выполните задание №2.

Задание №2.

опишите физические свойства данных веществ:

1-

я группа — O2.

2-

я группа — H2O.

3-

я группа — NaCl.

4-

я группа — графит.

Ученики заполняют таблицу №2

Физические свойства различных веществ Таблица №2

Вещества

Физичес

кие свойства

Кислород

2)

Вода

2О)

Хлорид натрия

(NaCl)

Графит

(C)

Агрегатное состояние

Газообразное

Жидкое

Твёрдое

Твёрдое

Цвет

Бесцветный

Бесцветный

Белый

Чёрный

Плотность (г/см3)

1,429

1,000

2,165

2,265

Температура

плавления (0С)

-218,8

0,0

+801,0

__

Температура

кипения (0С)

-182,97

+100,0

+1465,0

+3700,0

(температура

возгонки)

Растворимость в воде

Малорастворим

Не имеет

смысла

растворим

Не

растворим

Электропроводность

Не проводит

электрического

тока

Слабо проводит

электрический ток

Раствор и рас- плав проводят

электрический

ток

Проводит

электрический

ток

После проверки выполнения задания №2 учениками делается вывод о том, что у разных веществ – разные физические свойства.

Далее учитель перечисляет все вещества, находящиеся на демонстрационном столе

.

УЧИТЕЛЬ. А можно ли из веществ, представленных на демонстрационном столе, найти вещества с похожими физическими свойствами?

(

Школьники выделяют пары веществ: кислород – водород; хлорид натрия – хлорид калия.) Действительно, есть вещества, у которых можно выделить общие физические свойства. А можно ли предсказать общие физические свойства, зная строение вещества, и, наоборот: по физическим свойствам веществ определить их строение?

В твёрдом агрегатном состоянии в зависимости от степени упорядоченности частиц различают аморфные и кристаллические вещества

А кристаллические вещества могут иметь различное строение, что определяется типом кристаллической решётки. В чём отличие кристаллического вещества от аморфного, нам поможет разобраться группа «Воздух».

Задание №3.

Пользуясь материалом учебника и дополнительной литературой, ответьте на вопросы:

Какое состояние вещества называется аморфным?

В чём отличие кристаллических и аморфных тел?

Как можно практически использовать полученные знания для предсказания физических свойств веществ?

УЧИТЕЛЬ. Что такое кристаллические решётки, каких типов они бывают и какими признаками характеризуются, нам помогут разобраться остальные группы.

Задание №4. Пользуясь материалом учебника и дополнительной литературой, заполните таблицу №3 и ответьте на вопросы:

Что такое кристаллическая решётка?

Какие типы кристаллических решёток различают?

3.

Как можно практически использовать полученные знания для предсказания физических свойств?

(

Группа 1 заполняет в таблице 3 все графы, относящиеся к молекулярной кристаллической решётке; группа 2 – атомной кристаллической решётке; группа 4 – ионной кристаллической решётке. )

Спустя 7 – 10 минут проводится беседа по вопросам:

Какое строение вещества называется аморфным? В чём различие кристаллических и аморфных тел?

Что такое кристаллическая решётка?

Какие типы кристаллических решёток различают?

Затем идёт проверка заполнения учениками таблицы 3 (

выступают представители групп). Учитель по ходу ответов учеников заполняет таблицу 3 на доске или открывает готовую. Ребята сравнивают свои записи с той, что на доске, и отвечают на вопрос: как можно практически использовать полученные знания для предсказания физических свойств веществ?

УЧИТЕЛЬ. Таким образом, зная тип кристаллической решётки вещества, можно предсказать основные физические свойства веществ и наоборот.

Кристаллические решётки

Таблица №3

Тип кристаллической решётки

ионная

молекулярная

атомная

Вид связи

Ионная

Ковалентная

Ковалентная

Частицы, образующие

кристалл

Ионы

Молекулы

Атомы

Силы взаимодействия

между частицами

кристалла

Электростатические

Межмолекулярные

Ковалентные

Прочность связи

Прочная

Непрочная

Очень прочная

Отличительные

физические

свойства

вещества

Твёрдость сравнительно высокая; температура кипения высокая; тем-пература плавления вы-сокая; легко раство-

ряются в воде; раствор и расплав проводят электрический ток.

Твёрдость неболь-

шая; температура

кипения низкая;

температура плав-

ления низкая; не-

которые вещества

могут растворять-

ся в воде.

Твёрдость очень высокая; тем-пература кипе-ния высокая; в воде не раство-ряются; расплав не проводит электрический ток.

Примеры

веществ

Большинство солей,

некоторые оксиды (име-

ющие ионную связь),

например:

NaCl; KCl; Li2O; CaO;

MgI

2и другие.

Неметаллы (напри

мер, водород, азот,

кислород и другие,

за исключением

углерода и крем-ния), хлороводород

оксид углерода (IV)

Алмаз,

кремний

Вернёмся к таблице №1. Продолжим установление причинно-следственных связей.

Таблица №1

Строение атомов

химических

элементов

Тип химической связи между ними

Тип кристаллической решётки

Физические свойства вещества

Причина следствие

причина следствие

причина следствие

Из таблицы 1 видно, что одна характеристика вещества, будучи причиной другой, является следствием третьей.

Заключительная часть

Выполняются задания:

Задание №1.

Кремний имеет атомную кристаллическую решётку. Какие его характерные физические свойства можно предсказать?

Задание№2. Какой тип кристаллической решётки характерен для сульфида натрия?

Задание №3. Оксид углерода (IV)

имеет очень низкую температуру плавления, а оксид кремния (IV) – очень высокую (кварц плавится при 17280С). Какую кристаллическую решётку они должны иметь?

УЧИТЕЛЬ. Таким образом, на данном уроке мы с вами узнали о кристаллических решётках, их типах (ионной, молекулярной, атомной) и установили причинно-следственную связь между строением веществ и их физическими свойствами.

Затем выставляются оценки с комментариями.

Предлагается следующее ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

Задание №1.

На конкретных примерах сравните физические свойства веществ с молекулярной и атомной кристаллическими решётками. Задание№2. На конкретных примерах покажите: как проявляется зависимость некоторых физических свойств веществ от типа их кристаллической решётки? Задание №3. Изобразите схемы строения следующих ионов:

Mg2+, Cl¯, Na+, F¯.

Какой тип кристаллической решётки характерен для соединений, образованных этими частицами?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


9.

2: Ионные связи и энергия решетки

Навыки для развития

  • Для описания характеристик ионной связи.
  • Количественно описать энергетические факторы, участвующие в образовании ионной связи.

Ионы – это атомы или молекулы, обладающие электрическим зарядом. Катионы заряжены положительно, а анионы заряжены отрицательно. Ионы образуются, когда атомы приобретают или теряют валентные электроны.Поскольку электроны заряжены отрицательно, атом, потерявший один или несколько электронов, станет положительно заряженным; атом, который получает один или несколько электронов, становится отрицательно заряженным. Ионная связь — это притяжение между положительно и отрицательно заряженными ионами. Эти противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя ионные сети или решеток . Электростатика объясняет, почему это происходит: противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Когда многие ионы притягиваются друг к другу, они образуют большие упорядоченные кристаллические решетки, в которых каждый ион окружен ионами противоположного заряда.Как правило, когда металлы реагируют с неметаллами, электроны передаются от металлов к неметаллам. Металлы образуют положительно заряженные ионы, а неметаллы — отрицательно заряженные ионы.

Свойства ионных соединений вытекают из упорядоченного расположения в кристаллической решетке прочно связанных заряженных частиц, из которых они состоят. Ионные соединения, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения, потому что притяжение между ионами в решетке очень сильное. Удаление ионов из решетки разрушает структуру, поэтому ионные соединения имеют тенденцию быть скорее хрупкими, чем пластичными.Ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии, потому что ионы не могут свободно перемещаться по решетке; однако, когда ионные соединения растворяются, они могут диссоциировать на отдельные ионы, которые свободно перемещаются в растворе и поэтому хорошо проводят электричество.

Создание ионных связей

Ионные связи образуются при химической реакции металлов и неметаллов. По определению металл относительно стабилен, если он теряет электроны, образуя полную валентную оболочку, и становится положительно заряженным.Точно так же неметалл становится стабильным, приобретая электроны, чтобы завершить свою валентную оболочку и стать отрицательно заряженным. Когда металлы и неметаллы реагируют, металлы теряют электроны, передавая их неметаллам, которые их приобретают. Следовательно, образуются ионы, которые мгновенно притягиваются друг к другу — ионная связь. В общем ионном соединении должны быть уравновешены положительные и отрицательные заряды, потому что электроны не могут создаваться или разрушаться, а только переносятся. Таким образом, общее количество электронов, потерянных катионными частицами, должно равняться общему количеству электронов, полученных анионными частицами.

Ионные соединения удерживаются вместе электростатическими силами, которые описываются в классической физике законом Кулона . Согласно этому закону, энергия электростатического притяжения (\(Е\)) между двумя заряженными частицами пропорциональна величине зарядов (\(Q)1\) и \(Q_2\)) и обратно пропорциональна межъядерное расстояние между частицами (\(r\)):

\[E \propto \dfrac{Q_{1}Q_{2}}{r} \label{Eq1a} \]

Энергия притяжения (\(E\)) является разновидностью потенциальной энергии , так как она основана на положении заряженных частиц относительно друг друга.Если две частицы имеют противоположные заряды (как в ионных соединениях), значение (\(E\)) будет отрицательным, а это означает, что энергия высвобождается при сближении частиц, т. е. частицы естественным образом притягиваются друг друга. Согласно закону Кулона, чем больше величина заряда каждой частицы, тем сильнее будет притяжение. Так, например, Mg 2 + и O 2- будут иметь более сильное притяжение, чем Na + и Cl , из-за больших зарядов.Кроме того, чем ближе заряды друг к другу, тем сильнее притяжение. Следовательно, ионы меньшего размера также образуют более прочные ионные связи.

В ионной решетке одновременно взаимодействуют более двух заряженных частиц, высвобождая количество энергии, известное как энергия решетки . Энергия решетки не совсем такая, как предсказывает закон Кулона, но применяются те же общие принципы электростатического притяжения. В ионном соединении значение энергии решетки соответствует прочности ионной связи.

Пример \(\PageIndex{1}\): хлорид натрия

Например, в реакции Na (натрия) и Cl (хлора) каждый атом Cl отбирает один электрон у атома Na. Поэтому каждый Na становится катионом Na + , а каждый атом Cl становится анионом Cl . Из-за их противоположных зарядов они притягиваются друг к другу, образуя ионную решетку. Формула (отношение положительных ионов к отрицательным) в решетке \(\ce{NaCl}\).

\[\ce{2Na (т) + Cl2(г) \rightarrow 2NaCl (т)} \номер\]

Эти ионы расположены в твердом состоянии \(\ce{NaCl}\) в правильном трехмерном расположении (или решетке):

Решетка NaCl. (слева) трехмерная структура и (справа) простой двухмерный срез решетки. Изображения использованы с разрешения Википедии и Майка Блабера.

Хлор имеет высокое сродство к электронам, а натрий имеет низкую энергию ионизации. Таким образом, хлор получает электрон от атома натрия. Это можно представить с помощью точечных символов Льюиса, показывающих валентные электроны в каждом атоме (здесь мы будем рассматривать один атом хлора, а не Cl 2 ):

Изогнутая стрелка указывает на перенос электрона от натрия к хлору с образованием иона металла Na + и иона хлорида Cl .Каждый ион теперь имеет полную валентную оболочку из восьми электронов:

.

Электронная конфигурация ионов

Если ионная связь становится сильнее для соединений с более высоко заряженными ионами, то почему натрий теряет только один электрон с образованием Na + , а не, скажем, Na 2+ ? Количество электронов, переносимых между ионами, зависит не только от энергии, выделяемой при образовании решетки, но также и от энергии, необходимой для отрыва электронов от одного атома и добавления их к другому. Другими словами, энергия решетки, высвобождаемая при образовании ионного соединения, должна быть уравновешена требуемой энергией ионизации и сродством к электрону образующихся ионов. Поскольку ион Na + имеет электронную конфигурацию благородного газа, удаление следующего электрона из этой стабильной конфигурации потребует больше энергии, чем выделяется при формировании решетки (натрий I 2 = 4560 кДж/моль). Таким образом, натрий присутствует в ионных соединениях в виде Na + , а не Na 2+ .Точно так же добавление электрона для заполнения валентной оболочки (и достижения электронной конфигурации благородного газа) является экзотермическим или лишь слегка эндотермическим. Чтобы добавить дополнительный электрон в новую подоболочку , требуется огромная энергия — больше, чем энергия решетки. Так, в ионных соединениях мы находим Cl , но не Cl 2-. Как правило, элементы главной группы образуют ионы только с ближайшей электронной конфигурацией благородного газа — в противном случае энергии решетки не хватило бы для компенсации энергии ионизации / сродства к электрону

Типичные значения энергии решетки могут компенсировать такие большие значения, как I 3 для валентных электронов (т. е. может отрывать от катионов до 3 валентных электронов). Поскольку большинству переходных металлов потребуется удалить более 3 электронов, чтобы получить ядро ​​из благородного газа, они не встречаются в ионных соединениях с ядром из благородного газа. Переходный металл всегда сначала теряет электроны с более высокой подоболочки «s», а затем теряет электроны с нижележащей подоболочки «d». (Остальные электроны в незаполненной подоболочке d являются причиной ярких цветов, наблюдаемых во многих соединениях переходных металлов!) Например, ионы железа будут , а не образовывать ядро ​​благородного газа:

  • Fe: [Ar]4s 2 3d 6
  • Fe 2+ : [Ar] 3d 6
  • Fe 3+ : [Ar] 3d 5

Некоторые ионы металлов могут образовывать ядро ​​псевдоблагородного газа (и быть бесцветными), например:

  • Ag: [Kr]5s 1 4d 10 Ag + [Kr]4d 10 Соединение: AgCl
  • Cd: [Kr]5s 2 4d 10 Cd 2+ [Kr]4d 10 Соединение: CdS

Примечание: Атомы серебра и кадмия потеряли 5s-электроны при переходе в ионное состояние. Помните, что атомы всегда сначала теряли электроны из подоболочки с наибольшим квантовым числом n (т. е. за 5s до 4d).

Когда из атома образуется положительный ион, электроны всегда теряются первыми из подоболочки с наибольшим главным квантовым числом.

Многоатомные ионы

Не все ионные соединения образуются только из двух элементов. Существует множество многоатомных ионов , в которых два или более атома связаны друг с другом ковалентными связями.Они образуют стабильную группу, которая несет заряд (положительный или отрицательный). Группа атомов в целом действует как заряженная частица при образовании ионного соединения с противоположно заряженным ионом. Многоатомные ионы могут быть как положительными, так и отрицательными, например:

  • NH 4 + (аммоний) = катион
  • SO 4 2- (сульфат) = анион

Принципы ионной связи с многоатомными ионами такие же, как и с одноатомными ионами. Противоположные ионы объединяются, образуя кристаллическую решетку, высвобождая энергию решетки. Основываясь на форме и зарядах многоатомных ионов, эти соединения могут образовывать кристаллические решетки с интересной и сложной структурой.

Энергетика образования ионной связи

Ионные связи образуются, когда положительно и отрицательно заряженные ионы притягиваются электростатическими силами. Рассмотрим одну пару ионов, один катион и один анион. Насколько велика будет сила их притяжения? Мы можем количественно переписать Закон Кулона (уравнение \ref{Eq1a}) для любых двух заряженных частиц:

\[E = k\dfrac{Q_{1}Q_{2}}{r} \label{Eq1b} \]

, где заряд каждого иона представлен символом \( Q\) , а межъядерное расстояние между частицами представлено (\(r\)).Константа пропорциональности k равна 2,31 × 10 −28 Дж·м. Это значение \( к\) включает заряд одного электрона (1,6022 × 10 -19 Кл) для каждого иона. Уравнение также можно записать, используя заряд каждого иона, выраженный в кулонах (Кл), включенный в константу. В этом случае константа пропорциональности k равна 8,999 × 109 Дж·м/Кл 2 . В приведенном примере Q 1 = +1(1,6022 × 10 −19 C) и Q 2 = −1(1.6022 × 10 −19 С). Если \(Q_1\) и \(Q_2\) имеют противоположные знаки (как в \(\ce{NaCl}\), например, где Q 1 равно +1 для Na + и Q 2 равно −1 для Cl ), тогда E отрицательно, что означает, что энергия высвобождается , когда противоположно заряженные ионы сближаются с бесконечного расстояния, образуя изолированную ионную пару.

Энергия всегда высвобождается при образовании связи и, соответственно, всегда требуется энергия для разрыва связи.

Как показано зеленой кривой в нижней половине рисунка \(\PageIndex{1}\), максимальная энергия будет выделяться, когда ионы бесконечно близки друг к другу, при r = 0. Поскольку ионы занимают пространство и имеют структуру с положительным ядром, окруженным электронами, однако они не могут быть бесконечно близко друг к другу. На очень коротких расстояниях отталкивающие электрон-электронные взаимодействия между электронами на соседних ионах становятся сильнее, чем притягивающие взаимодействия между ионами с противоположными зарядами, как показано красной кривой в верхней половине рисунка \(\PageIndex{1}\).Полная энергия системы представляет собой баланс между притягивающими и отталкивающими взаимодействиями. Фиолетовая кривая на рисунке \(\PageIndex{1}\) показывает, что полная энергия системы достигает минимума в точке r 0 , где электростатическое отталкивание и притяжение точно сбалансированы. Это расстояние совпадает с экспериментально измеренным расстоянием связи .

Рисунок \(\PageIndex{1}\): График зависимости потенциальной энергии от межъядерного расстояния для взаимодействия между газообразным ионом Na + и газообразным ионом Cl . { 23}\; \отменить{ион\; пар}/моль\право )=-589\; кДж/моль \label{Eq3} \]

Это энергия, выделяемая при образовании 1 моль газообразных ионных пар, , а не , когда 1 моль положительных и отрицательных ионов конденсируется с образованием кристаллической решетки. Из-за дальнодействующих взаимодействий в структуре решетки эта энергия не соответствует непосредственно энергии решетки кристаллического твердого тела. Однако большое отрицательное значение указывает на то, что объединение положительных и отрицательных ионов энергетически очень выгодно, независимо от того, образуется ли ионная пара или кристаллическая решетка.

Таблица \(\PageIndex{1}\): Диапазон энергий решетки от 700 кДж/моль до 4000 кДж/моль:
Соединение Энергия решетки (кДж/моль)
LiF 1024
ЛиИ 744
НаФ 911
NaCl 788
НаИ 693
КФ 815
КБр 682
КИ 641
мгф 2 2910
SrCl 2 2130
MgO 3938

Подытожим важные моменты об ионной связи:

  • На r 0 ионы более стабильны (имеют меньшую потенциальную энергию), чем на бесконечном межъядерном расстоянии. При сближении противоположно заряженных ионов от r = ∞ до r = r 0 энергия системы понижается (выделяется энергия).
  • Из-за низкой потенциальной энергии r 0 в систему необходимо добавить энергию для разделения ионов. Необходимое количество энергии – это энергия связи.
  • Энергия системы достигает минимума на определенном межъядерном расстоянии (расстоянии связи).

Пример \(\PageIndex{2}\): LiF

Рассчитайте количество энергии, выделяющееся при образовании 1 моль газообразных пар ионов Li + F из разделившихся ионов.Наблюдаемое межъядерное расстояние в газовой фазе равно 156 пм.

Дано: катион и анион, количество и межъядерное расстояние

Запрошено: энергия, высвобождаемая при образовании пар газообразных ионов

Стратегия:

Подставьте соответствующие значения в уравнение \(\ref{Eq1b}\), чтобы получить энергию, выделяемую при образовании одной пары ионов, а затем умножьте это значение на число Авогадро, чтобы получить энергию, выделяемую на моль. {23} \cancel{\text{ионная пара}}/моль\справа)\\[5pt] &−891 \;кДж/моль \end{align*}\]

Поскольку Li + и F меньше, чем Na + и Cl (см. раздел 7.3), межъядерное расстояние в LiF меньше, чем в NaCl. Следовательно, в соответствии с уравнением \(\ref{Eq1b}\), при образовании 1 моль газообразных пар ионов Li + F выделяется гораздо больше энергии (-891 кДж/моль), чем при образовании 1 моль образуются газообразные ионные пары Na + Cl (–589 кДж/моль).

Упражнение \(\PageIndex{2}\): оксид магния

Рассчитайте количество энергии, выделяющееся при образовании 1 моль газообразных пар ионов \(\ce{MgO}\) из разделенных ионов. Межъядерное расстояние в газовой фазе равно 175 пм.

Ответить

−3180 кДж/моль = −3,18 × 10 3 кДж/моль

Резюме

Ионные соединения образуются, когда электроны переносятся между атомами или группами атомов с образованием заряженных ионов, которые затем располагаются в структуре кристаллической решетки благодаря электростатическому притяжению. Образование ионных соединений обычно чрезвычайно экзотермическое . Сила электростатического притяжения между ионами с противоположными зарядами прямо пропорциональна величине зарядов ионов и обратно пропорциональна межъядерному расстоянию. Полная энергия системы представляет собой баланс между отталкивающими взаимодействиями между электронами на соседних ионах и притягивающими взаимодействиями между ионами с противоположными зарядами.

2.2 Связывание и решетки – Физическая геология

Как мы только что видели, атом стремится иметь полную внешнюю оболочку (то есть восемь электронов для большинства элементов или два электрона для водорода и гелия), чтобы быть атомно стабильным. Это достигается за счет передачи или совместного использования электронов с другими атомами. Элементы, внешние орбиты которых уже заполнены, считаются инертными; они с трудом вступают в химические реакции.

Натрий имеет 11 электронов: два на первой оболочке, восемь на второй и один на третьей (рис. 2.3). Натрий легко отдает третий электрон оболочки; когда он теряет этот единственный отрицательный заряд, он становится положительно заряженным. Отказавшись от своего единственного электрона третьей оболочки, натрий получает полную внешнюю вторую оболочку. У хлора же 17 электронов: два на первой оболочке, восемь на второй и семь на третьей. Хлор легко принимает восьмой электрон, чтобы заполнить свою третью оболочку, и поэтому становится отрицательно заряженным из-за дисбаланса между количеством протонов (17) и электронов (18).При изменении количества электронов эти атомы становятся ионами — натрий теряет электрон и становится положительным ионом катионом , а хлор приобретает электрон и становится отрицательным ионом или анионом (рис. 2.3). Поскольку отрицательные и положительные заряды притягиваются, ионы натрия и хлора слипаются, создавая ионную связь . Электроны можно рассматривать как переходящие от одного атома к другому в ионной связи. Обычная поваренная соль (NaCl) — это минерал, состоящий из хлора и натрия, связанных между собой ионными связями (рис. 1.4). Минеральное название NaCl — галит.

Рис. 2.3. Очень упрощенная электронная конфигурация атомов натрия и хлора (вверху). Натрий отдает электрон, чтобы стать катионом (внизу слева), а хлор принимает электрон, чтобы стать анионом (внизу справа).

Такой элемент, как хлор, также может образовывать связи без образования ионов. Например, два атома хлора, каждый из которых ищет восьмой электрон на своей внешней оболочке, могут иметь общий электрон в так называемой ковалентной связи с образованием газообразного хлора (Cl 2 ) (рис. 2.4). Электроны делят в ковалентной связи.

Рисунок 2.4 Изображение ковалентной связи между двумя атомами хлора. Электроны черные в левом атоме и синие в правом атоме. Два электрона являются общими (один черный и один синий), так что каждый атом «кажется» имеющим полную внешнюю оболочку. [SE]

Упражнение 2. 1 Катионы, анионы и ионная связь

Ряд элементов перечислены ниже вместе с их атомными номерами. Предполагая, что первая электронная оболочка может содержать два электрона, а последующие электронные оболочки могут содержать восемь электронов, нарисуйте электронные конфигурации для этих элементов.Предскажите, может ли элемент образовать катион (+) или анион (–), и какой заряд он будет иметь (например, +1, +2, –1). Первый сделан для тебя.

Фтор (9)

   анион (-1)  

Литий (3)

________

Магний (12)

________

Аргон (18)

________

  Хлор (17)

________

Бериллий (3)

________

Кислород (8)

________

  Натрий (11)

________

Незаряженный атом углерода имеет шесть протонов и шесть электронов; два электрона находятся на внутренней оболочке и четыре на внешней оболочке (рис. 2.5). Углерод должен был бы получить или потерять четыре электрона, чтобы иметь заполненную внешнюю оболочку, и это создало бы слишком большой дисбаланс заряда, чтобы ион был стабильным. С другой стороны, углерод может делиться электронами для создания ковалентных связей. В минеральном алмазе атомы углерода связаны друг с другом в трехмерном каркасе, где один атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода, и каждая связь является очень прочной ковалентной связью. В минеральном графите атомы углерода связаны вместе в листы или слои (рис. 2.5), и каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими. Соединения на основе графита, обладающие прочностью благодаря сильной ковалентной связи внутри слоев, используются в высококачественном спортивном оборудовании, таком как сверхлегкие гоночные велосипеды. Графит сам по себе мягкий, потому что связь между этими слоями относительно слабая, и он используется в различных областях, включая смазочные материалы и карандаши.

Рис. 2.5 Электронная конфигурация углерода (вверху) и совместное использование электронов при ковалентной С-связи алмаза (справа). Электроны, показанные синим цветом, распределяются между соседними атомами C. Хотя алмаз показан здесь только в двух измерениях, он имеет трехмерную структуру, как показано на рис. 2.7.

Кремний и кислород соединяются вместе, образуя тетраэдр кремнезема , который представляет собой четырехгранную пирамиду с O в каждом углу и Si в середине (рис. 2.6). Эта структура является строительным блоком многих важных силикатных минералов. Связи в кварцевом тетраэдре обладают некоторыми свойствами ковалентных связей и некоторыми свойствами ионных связей.В результате ионного характера кремний становится катионом (с зарядом +4), а кислород становится анионом (с зарядом -2). Суммарный заряд тетраэдра кремнезема (SiO 4 ) равен –4. Как мы увидим позже, тетраэдры кремнезема (множественное число от тетраэдр ) соединяются друг с другом различными способами, образуя большинство обычных минералов земной коры.

Рисунок 2.6. Тетраэдр кремнезема, строительный блок всех силикатных минералов (Поскольку кремний имеет заряд +4, а каждый из четырех атомов кислорода имеет заряд -2, тетраэдр кремнезема имеет суммарный заряд -4. )

Большинство минералов характеризуются ионными связями, ковалентными связями или их комбинацией, но существуют и другие типы связей, важные для минералов, в том числе металлические связи и более слабые электростатические силы (водородные или Ван-дер-Ваальсовы связи). Металлические элементы имеют внешние электроны, которые относительно слабо удерживаются. (Металлы выделены в таблице Менделеева в Приложении 1.) Когда между такими атомами образуются связи, эти электроны могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Таким образом, металл можно представить как массив положительно заряженных атомных ядер, погруженных в море подвижных электронов.Эта особенность объясняет два очень важных свойства металлов: их электропроводность и их ковкость (их можно деформировать и формировать).

Молекулы, которые связаны ионно или ковалентно, также могут иметь другие более слабые электростатические силы, удерживающие их вместе. Примерами этого являются сила, удерживающая графитовые листы вместе, и притяжение между молекулами воды.

Что за все эти «сили» имена?

Элемент кремний является одним из наиболее важных геологических элементов и вторым по распространенности элементом в земной коре (после кислорода). Кремний легко связывается с кислородом, образуя тетраэдр кремнезема (рис. 2.6). Кристаллы чистого кремния (созданные в лаборатории) используются для изготовления полупроводниковых сред в электронных устройствах. Минерал силикат представляет собой минерал, в котором кремний и кислород присутствуют в виде тетраэдров кремнезема . Силикагель также относится к химическому компоненту породы и выражается в % SiO 2 . Минеральный кварц полностью состоит из тетраэдров кремнезема , а некоторые формы кварца известны как кремнезема . Силикон представляет собой синтетический продукт (например, силикон каучук, смола или герметик), изготовленный из силиконовых кислородных цепочек и различных органических молекул. Чтобы помочь вам разобраться в названиях «sili», вот сводная таблица:

Сводная таблица имен «Сили»
[Пропустить таблицу]
Кремний 14 элемент
Кремниевая пластина Очень тонко нарезанный кристалл чистого кремния, используемый в электронике
Силикатный тетраэдр Комбинация одного атома кремния и четырех атомов кислорода, образующая тетраэдр
% диоксид кремния Часть породы, состоящая из компонентов Si + O 2
Кремнезем Форма минерального кварца (SiO 2 )
Силикат Минерал, содержащий тетраэдры кремнезема (например,г., кварц, полевой шпат, слюда, оливин)
Силикон Гибкий материал, состоящий из цепочек Si-O с присоединенными органическими молекулами

Как описано в главе 1, все минералы характеризуются особым трехмерным рисунком, известным как решетка или кристаллическая структура. Эти структуры варьируются от простой кубической структуры галита (NaCl) (рис. 1.4) до очень сложной структуры некоторых силикатных минералов. Два минерала могут иметь одинаковый состав, но совершенно разные кристаллические структуры и свойства.Например, графит и алмаз состоят только из углерода, но хотя алмаз является самым твердым из известных веществ, графит мягче бумаги. Их решетчатые структуры сравниваются на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Изображение решеток графита и алмаза. [Подробное описание] Рисунок 2.8. Кубические кристаллы (слева) и прямоугольные плоскости спайности (справа) минерала галита. Если внимательно присмотреться к фрагменту скола в середине, то можно увидеть, где он снова разорвется (сколотится) по плоскости, параллельной существующей поверхности.

Минеральные решетки имеют важное значение для свойств минералов, примером чего является относительная твердость алмаза и графита. Решетки также определяют форму, в которой растут минеральные кристаллы, и то, как они разрушаются. Например, прямые углы в решетке минерала галита (рис. 1.4) влияют как на форму его кристаллов (обычно кубическую), так и на способ разрушения этих кристаллов (рис. 2.8).

Атрибуции

Рисунок 2.8
Изображение слева: Halite от Роба Лавински, iRocks.com используется в соответствии с CC-BY-SA-3.0

Длинные описания

Подробное описание рисунка 2.7: Графит представляет собой смесь сильных ковалентных связей и слабых межслойных связей. В алмазах все связи являются сильными ковалентными связями. [Вернитесь к рисунку 2.7].

Объяснение урока: Ионная связь | Nagwa

В этом эксплейнере мы научимся описывать ионную связь с точки зрения электростатического притяжения и использовать его для объяснения свойств ионных структуры.

Большинство людей знакомы по крайней мере с несколькими различными типами ионных соединений, потому что ионные соединения являются основой современной жизни. Люди регулярно используют обычную поваренную соль, чтобы сделать пищу более вкусной, и они используют мел, чтобы писать на доске. Производители используют магнезию в качестве основы. огнеупорный ингредиент для строительных материалов и использования больничным персоналом хлорид калия для лечения гипокалиемии. Ионные соединения явно очень распространены и полезны, и это хороший повод разобраться в их химическом структуры и свойства.

Ионные соединения образуются из положительно и отрицательно заряженных ионов. То ионы группируются вместе и образуют гигантскую трехмерную решетку структура. Ионные решетчатые структуры обладают многими интересными свойствами. мы собираемся перечислить и объяснить эти свойства в следующем абзацы.

Определение: Ионная решетка

Ионная решетка представляет собой гигантскую трехмерную структуру, состоящую из противоположно заряженные ионы.

Поваренная поваренная соль в основном состоит из соединения хлорида натрия. То решетка хлорида натрия содержит оба положительно заряженных иона натрия (Na+) и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl–). Ионы натрия имеют 1+ зарядовое состояние, а ионы хлорида имеют зарядовое состояние 1-. Есть сильное электростатическое притяжение между этими противоположно заряженными ионами, делая решетку хлорида натрия относительно стабильной.

На следующем рисунке показано, как ионы натрия и хлорида расположены в трехмерное пространство.На изображении с левой стороны показан шарико-стержневая модель, а изображение справа показывает соответствующую объемную модель. Шариковые модели намеренно разработан со слишком большим пространством между ионами. Они также имеют тенденцию быть сделаны так, чтобы диаметр по крайней мере одного типа ионов нереально велик или мал. То шарико-стержневые модели разработаны, чтобы помочь людям понять, как ионы связаны в ионной решетке, а не для точного отображения длин связей и диаметры ионов. Модели, заполняющие пространство, обеспечивают более реалистичное перспективы диаметров ионов и длин связей, но они, как правило, выглядеть захламленным. Каждая модель представления имеет свои ограничения, и это объясняет, почему химики используют более одной модели для обучения и понимать строение ионной решетки. Два представления методы явно очень разные, но они оба указывают на то, что хлорид натрия имеет NaCl11 или Эмпирическая формула NaCl. Два методы представления показывают, что хлорид натрия имеет один ион натрия (Na1) для каждого иона хлорида (Кл1).

Пример 1: Понимание структуры соединений хлорида натрия

Структура хлорида натрия представлена ​​ниже.

  1. Какова формульная единица хлорида натрия?
    1. NaCl22
    2. NaCl45
    3. NaCl2
    4. NaCl2
    5. NaCl
  2. Что из следующего является недостатком использования этого типа представление для ионных структур?
    1. Связанные ионы показаны разными цветами.
    2. Размер ионов и расстояния между ними неверны.
    3. Показывает трехмерную структуру ионов в решетке.
    4. Показывает расположение ионов в решетке.
    5. Соотношение положительно заряженных ионов к отрицательно заряженным можно определить определенный.

Ответ

Часть 1

Формульная единица – это наименьшее целочисленное соотношение ионов, представленных в ионное соединение.Он используется для обозначения относительного количества положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы в гигантской ионной решетке структура. На рисунке показана одна часть решетки хлорида натрия. По рисунку можно определить, что хлорид натрия в решетке на каждый ион хлора приходится один ион натрия. То рисунок предполагает, что вариант E должен быть правильным ответом для этот вопрос, потому что в варианте E указано, что формульная единица для хлорид натрия – это NaCl. Вариант Е косвенно указывает, что в решетке хлорида натрия на каждый ион хлорида приходится один ион натрия.

Часть 2

Шарико-стержневые модели специально спроектированы таким образом, что занимают слишком много места между ионами. Их также, как правило, делают так, чтобы диаметр по крайней мере один тип ионов нереально велик или мал. Мяч и клюшка модели разработаны, чтобы помочь людям понять, как ионы связаны в ионная решетка, а не точно показать размеры связей или ионов.Иногда использование шарико-стержневых моделей нежелательно. в учебных целях, потому что они не точно показывают размеры химических связей или заряженных ионов. Эти утверждения поддерживаются вариант Б. Таким образом, мы можем заключить, что вариант Б является правильным ответ на этот вопрос.

Трехмерные модели обычно трудно нарисовать или построить, и иногда проще использовать более простую двухмерную диаграмму для описания строение ионной решетки. На двухмерных диаграммах показано, как положительно и отрицательно заряженные ионы организованы в пространстве. Они показывают что ионы одного заряда всегда окружены ионами противоположного заряжать. Они также показывают, что между ними очень мало места. положительно и отрицательно заряженные ионы. На следующем рисунке показано как можно использовать относительно простую двухмерную диаграмму для описать структуру гигантской ионной решетки.

Пример 2: Понимание того, как представить кристаллическую структуру ионного соединения

Какая из следующих диаграмм лучше всего представляет кристалл структура ионного соединения?

Ответ

Ионные соединения содержат положительно и отрицательно заряженные ионы.Каждый положительно заряженный ион окружен отрицательно заряженными ионами, и каждый отрицательно заряженный ион окружен положительно заряженными ионами. То противоположно заряженные ионы группируются за счет притяжения электростатические взаимодействия, и в конечном итоге они образуют гигантский трехмерная решетка. между ними очень мало места противоположно заряженные ионы, а вместе взятые, это означает правильное ответ D.

Хлорид натрия может быть получен реакцией газообразного хлора с нагретым образцом. жидкого натрия.Реакция чрезвычайно экзотермична, и выделяется много тепла. и свет генерируется, когда атомы натрия и хлора реагируют и образуют соединение хлорида натрия. Химическая реакция происходит, когда натрий атомы переносят одиночные валентные электроны на атомы хлора. Последующий Уравнение показывает, как металлический натрий может реагировать с газообразным хлором, чтобы получить соединение хлорида натрия: 2Na()+Cl()2NaCl()lgs2

Химики обычно используют правило октетов, чтобы объяснить, почему натрий и хлор атомы реагируют друг с другом.Правило октета гласит, что атомы переходят или делят электроны, чтобы достичь той же электронной конфигурации, что и ближайший благородный газ.

Определение: Правило октета

Правило октета гласит, что атомы склонны передавать или делиться электронами потому что это помогает им получить восемь валентных электронов и столько же электронная конфигурация как у атома благородного газа.

Атомы хлора имеют семь внешних (валентных) электронов, и им необходимо получить один электрон, чтобы иметь ту же электронную конфигурацию, что и атом аргона.Атомы натрия имеют один электрон на внешней оболочке. Им нужно потерять этот электрон, чтобы иметь восемь валентных электронов и такой же электрон конфигурация атома неона. Атомы натрия и хлора могут достигать та же электронная конфигурация, что и у атома благородного газа, если одна внешняя оболочка электроны переходят от атомов натрия к атомам хлора. Следующий рисунок показывает, как атомы натрия и хлора достигают одного и того же электрона конфигурации как атом благородного газа, когда одиночные валентные электроны перемещаются из атомов натрия к атомам хлора.

Атомы натрия и хлора генерируют противоположно заряженные ионы, которые привлекательные электростатические взаимодействия. Противоположно заряженные ионы взаимодействуют друг с другом, и в конечном итоге они образуют гигантскую ионную решетчатую структуру. Каждый катион натрия оказывается в окружении шести ионов хлора. и каждый анион хлорида оказывается окруженным шестью ионами натрия.

Пример 3. Вспомним, какая сила удерживает вместе ионные структуры

Какая сила удерживает вместе ионные структуры?

  1. Металлические связи
  2. Магнетизм
  3. Электростатическое притяжение
  4. Ковалентные связи
  5. Гравитация

Ответ

Существует сильное электростатическое притяжение между положительно и отрицательно заряженные ионы ионного соединения.Мы можем использовать это утверждение, чтобы определить, что вариант C является правильным ответом на этот вопрос.

Структурные диаграммы Льюиса представляют собой простые схематические иллюстрации, показывающие, как электроны внешней оболочки разделяются или передаются во время химических реакций. Структурные диаграммы Льюиса можно использовать, чтобы показать, как хлорид натрия соединение образуется при переходе электронов от атомов натрия к атомам хлора. На следующей структурной диаграмме Льюиса показано, как ионы натрия и хлорида образуются при переходе одиночных электронов внешней оболочки от атомов натрия к атомы хлора.

Атомы иногда теряют или приобретают более одного электрона внешней оболочки когда они образуют ионные соединения. Атомы кальция теряют два электрона при они образуют карбонат кальция (CaCO3), а атомы магния теряют два электроны, когда они образуют магнезию (MgO). Атомы кислорода получают два электрона когда они образуют оксид натрия (NaO2), и они также получают два электрона когда они образуют большинство других оксидов, таких как оксид бериллия (BeO) или барий оксид (BaO).

Склонность атома приобретать или терять электроны можно определить по его номер группы и ее положение в периодической таблице.Атомы стремятся получить электроны, если они имеют большой номер группы и находятся справа сторону периодической таблицы. Атомы имеют тенденцию терять электроны, если они имеют низкий номер группы, и они находятся в левой части таблицы Менделеева. В следующей таблице показано, как атомы столбца (группы) периодической таблицы имеют тенденцию терять или приобретать определенное количество электронов во время химических реакций. Атомы группы 1 имеют тенденцию образовывать ионы в состоянии 1+, поскольку они теряют один валентный электрон, а атомы группы 16 имеют тенденцию образовывать 2- состояние ионов, поскольку они приобретают два валентных электрона.

Группа
Группа ION Зарядки Заряда
1 1+
2 2+
13 3+
14 обычно не формируют ионы
15
15 15 не образуют ионные соединения
16 2-
17 17 1-
18 не образуют ионы

Химический состав любое ионное соединение может просто и эффективно описывается его формульной единицей. Формульная единица – это наименьшее целое число соотношение ионов, представленных в соединении. Формульная единица ионного соединение описывает относительное содержание положительно и отрицательно заряженные ионы. Он показывает, сколько положительно заряженных ионов находится в на каждый отрицательно заряженный ион. Формульная единица любого ионного соединения всегда устанавливается так, чтобы заряд катионов точно уравновешивал заряд из анионов. Формульная единица всегда будет содержать одно и то же количество катионы и анионы, если они имеют одинаковые, но противоположные заряды.

Хлорид натрия имеет формульную единицу NaCl поскольку ионы натрия имеют зарядовое состояние 1+, а хлорид ионы имеют одинаковое, но противоположное зарядовое состояние 1-. Магний оксид имеет формульную единицу MgO, потому что ионы магния имеют заряд 2+ состояние, а ионы кислорода имеют одинаковое, но противоположное зарядовое состояние 2-. То соединения хлорида натрия и оксида магния содержат одинаковое количество катионы и анионы, потому что их катионы и анионы имеют равные, но противоположные обвинения.

Формульная единица ионного соединения всегда содержит неравное количество катионы и анионы, если ионы имеют не одинаковые, а противоположные заряды. Там должен быть дисбаланс ионов, чтобы вся ионная система не имела общего электрический заряд. Оксид натрия имеет формульную единицу NaO2, потому что его ионы кислорода имеют зарядовое состояние 2−, а его ионы натрия имеют 1+ состояние заряда. Соединение оксида натрия может иметь только никакого общего заряда, если он содержит два иона натрия на каждый ион кислорода.

Ионные соединения всегда имеют такое соотношение противоположно заряженных ионов, которое дает нулевой общий электрический заряд. В следующей таблице показано, как формула единица ионного соединения всегда уравновешена так, что положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга.

Положительно заряженный ион Отрицательно заряженный ион Формула Блок
Na + Cl- NaCl
Na + F- NaF
К + Cl- KCl
Na +, О2- NaO2
Mg2 + F- MgF2
Mg2 + О2- MgO

Пример 4: Понимание Как рисовать Льюис Структурные диаграммы соединений оксида натрия

Какая электронно-точечная диаграмма показывает правильную структуру натрия окись?

Ответ

Атомы имеют тенденцию подчиняться правилу октета, когда они реагируют и образуют ионные соединения.Кислород — элемент 16-й группы, и его атомы получают два электронов, когда они образуют ионные соединения. Натрий является элементом группы 1, и его атомы теряют один электрон, когда образуют ионные соединения. Варианты A и E правильно показывают, что атомы натрия и кислорода подчиняются правилу октета, когда они реагируют и образуют натрий. (Na+) и кислорода (O2–). Оксид натрия должен иметь формульную единицу NaO2, потому что ионы кислорода имеют заряд 2- состоянии, а ионы натрия имеют зарядовое состояние 1+. Ионная решетка может иметь нулевой электрический заряд только при наличии двух ионов натрия на каждый ион кислорода.Это означает, что вариант Е неверен, а вариант А должен быть правильным.

В следующей таблице показаны некоторые общие физические и химические свойства гигантских ионных решетчатых структур.

Свойства гигантских ионных решеток
высокая температура плавления
Hard
Hrittle
Растворимые в воде
проводят электричество при расплаве или растворенные в воде

ионные соединения обычно имеют высокие температуры плавления, потому что требуется много энергию, чтобы разорвать сильные электростатические связи между положительно и отрицательно заряженные ионы. Электростатические связи сильнее, когда ионы имеют 2± или 3± состояние заряда вместо 1± состояние заряда. Магнезия (MgO) используется в качестве огнезащитного ингредиента для строительных материалов. потому что он содержит двухвалентный Mg2+ и ионы О2–. Там очень сильное электростатическое взаимодействие между двухвалентными ионами, и требуется много тепловой энергии, чтобы разбить их на части.

Пример 5: Понимание того, как ионный заряд влияет на точки плавления ионных соединений

На приведенной ниже гистограмме показаны точки плавления трех ионных соединений.Какое из следующих заданий верное?

    1. x: Mgf2
      y: mgo
      z: naf
    2. x: mgo
      y: naf
      z: mgf2
    3. x: naf
      y: mgf2
      z: mgO
    4. x: MgO
      y: MGF2
      Z: NaF
    5. X: NaF
      Y: MgO
      Z: MgF2

    Ответ

    Тепло необходимо для разрыва электростатических связей между отрицательно и положительно заряженные ионы в ионных соединениях. Связи крепче, когда ионы имеют 2± или 3± состояние заряда вместо 1± состояние заряда.То решетка фторида натрия (NaF) содержит 1+ и 1− ионы в заряженном состоянии. фторид магния (MgF2) решетка содержит 2+ и 1- зарядовое состояние ионы. Оксид магния (MgO) содержит 2+ и 2- ионы в заряженном состоянии.

    Для разрыва ионных связей в решетка MgO и меньше энергии для разрыва ионных связей в Решетка MgF2. Это занимает даже меньше энергии для разрыва ионных связей в Решетка NaF.Мы можем использовать эти заявления, чтобы определить, что оксид магния должен иметь самый высокий температура плавления, а фторид натрия должен иметь самую низкую температуру плавления. Фторид магния должен иметь температуру плавления, которая находится между этими две крайности. Эта линия рассуждений может быть использована для определения того, что вариант C является правильным ответом на этот вопрос.

    Ионные соединения почти всегда твердые и могут выдерживать большие нагрузки которые применяются на большой площади из-за сил притяжения между их противоположно заряженные ионы.Хлорид натрия и оксид магния имеют значения твердости, которые аналогичны некоторым минералам, таким как гипс и кальцит.

    Ионные соединения твердые, но хрупкие. Ионные решетки состоит из аккуратно выровненных ионов, и эта высокосимметричная структура может быть нарушается, если сила приложена к небольшой площади поверхности. Стресс может подтолкнуть некоторые ионы смещаются и заставляют ионы с одинаковым зарядом сильно отталкиваться друг от друга. разное. Силы электростатического отталкивания дестабилизируют ионную решетку. и решетка обычно заканчивается растрескиванием и разрушением.Последующий На рисунке показано, как ионная решетка может быть дестабилизирована при ударе по ней. с силой (напряжением), которая приложена к небольшой площади поверхности.

    Ионные соединения почти всегда хорошо растворимы в воде, поскольку вода молекулы полярны, и они имеют сильные электростатические взаимодействия с положительно и отрицательно заряженные ионы, составляющие ионную решетку. То молекулы воды разрушают гигантские структуры ионной решетки при взаимодействии с заряженными ионами и постепенно отделяют их друг от друга.Отделенные ионы растворяются в воде. Они могут свободно передвигаются по воде, и даже могут проводить электрический ток.

    Ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии, но они могут проводить электричество, когда они расплавлены или растворены в воде. Материалы могут проводить электричество только в том случае, если они содержат какой-либо мобильный частица с зарядом. Положительно и отрицательно заряженные частицы неподвижны, когда они заперты в гигантской трехмерной решетке, но они могут свободно двигаться, когда решетка плавится или растворяется в воде.

    Ключевые моменты

    • Ионные соединения содержат положительно и отрицательно заряженные ионы.
    • Положительно и отрицательно заряженные ионы объединяются и образуют гигантские решетчатые структуры.
    • Эмпирическая формула ионного соединения может быть определена из заряд его положительно и отрицательно заряженных ионов.
    • Ионные соединения могут выдерживать высокие температуры и большие усилия, которые применяются на больших площадях.
    • Ионные решетки растворимы в воде.
    • Ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии, но они проводят электричество, когда они расплавлены или растворены в воде.

    Энергия решетки

    Энергия решетки


    Энергии решетки и сила ионной Бонд

    Сила притяжения между противоположно заряженными частицами прямо пропорциональна произведению начислений на два объекта ( q 1 и q 2 ) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами ( r 2 ).

    Прочность связи между ионами противоположного заряда в ионном соединении поэтому зависит от зарядов ионов и расстояния между центрами ионы, когда они упаковываются, образуя кристалл.

    Оценку прочности связей в ионном соединении можно получить с помощью измерение энергии решетки соединения, которая представляет собой энергию, выделяемую при противоположно заряженные ионы в газовой фазе объединяются, образуя твердое тело.

    Пример: Энергия решетки NaCl представляет собой энергию, выделяемую при соединении Na + и Cl . ионы в газовой фазе объединяются, образуя решетку чередующихся Na + и Ионы Cl в кристалле NaCl показаны на рисунке ниже.

    Na + ( г ) + Cl ( г ) NaCl( с ) Н или = -787. 3 кДж/моль

    Энергии решетки ионных соединений относительно велики. Энергия решетки NaCl, например, составляет 787,3 кДж/моль, что лишь немного меньше выделяемой энергии когда горит природный газ.

    Связь между ионами противоположного заряда наиболее прочна, когда ионы малы.

    Энергии решетки для галогенидов щелочных металлов, таким образом, самые большие для LiF и наименьший для CsI, как показано в таблице ниже.

    Энергия решетки галогенидов щелочных металлов (кДж/моль)

    Ф Класс Бр I
    Ли + 1036 853 807 757
    Нет данных + 923 787 747 704
    К + 821 715 682 649
    руб. + 785 689 660 630
    Цз + 740 659 631 604

    Ионная связь также должна становиться прочнее по мере увеличения заряда ионов.Данные в таблице ниже показывают, что энергии решетки для солей ОН и O 2- быстро увеличиваются по мере увеличения заряда иона.

    Энергии решетки солей ОН и О 2- Ионы (кДж/моль)

    ОХ О 2-
    Нет данных + 900 2481
    Мг 2+ 3006 3791
    Ал 3+ 5627 15 916


    Энергия решетки и растворимость

    Когда соль, такая как NaCl, растворяется в воде, кристаллы исчезают на макроскопическом шкала. В атомном масштабе ионы Na + и Cl в кристалле равны выпущен в раствор.

             NaCl( s ) Н 2 О Na + ( водный раствор ) + Cl ( водный раствор )

    Таким образом, энергия решетки соли дает приблизительное представление о растворимости соль в воде, потому что она отражает энергию, необходимую для разделения положительного и отрицательные ионы в соли.

    Соли натрия и калия растворимы в воде, так как имеют относительно небольшую энергии решетки. Соли магния и алюминия часто гораздо менее растворимы, потому что они требуется больше энергии, чтобы разделить положительные и отрицательные ионы в этих солях. NaOH, для Например, хорошо растворяется в воде (420 г/л), но Mg(OH) 2 растворяется в воде только до 0,009 г/л, а Al(OH) 3 практически нерастворим в воде.


    Ионная и металлическая связь

  1. Ионная связь возникает в результате суммарного кулоновского притяжения положительно и отрицательно заряженных анионов, упакованных вместе в правильную кристаллическую решетку.
  2. Кулоновская сила пропорциональна заряду, поэтому более высокие заряды приводят к более сильным взаимодействиям.
  3. Кулоновская сила обратно пропорциональна (квадрату) расстояния, поэтому ионы меньшего размера, которые могут упаковываться более плотно друг к другу, будут иметь более сильные взаимодействия.
  4. Пример: Что из следующего имеет более экзотермическую энергию решетки, NaF или KBr?
  5. NaF будет иметь более экзотермическую энергию решетки (-922 кДж/моль против -688 кДж/моль), поскольку он состоит из более мелких ионов, которые могут более плотно упаковываться друг в друга.

  6. В ионных соединениях электроны прочно удерживаются ионами, и ионы не могут двигаться поступательно друг относительно друга.
  7. Это объясняет многие свойства ионных твердых тел. Они твердые и хрупкие, они не податливы и не пластичны (т. е. им нельзя придать форму без растрескивания/ломки) и они не проводят электричество.

  8. Металлическая связь описывает решетку положительно заряженных ионов, окруженную подвижным «морем» валентных электронов.В отличие от ионной связи валентные орбитали делокализованы по всей решетке металла, электроны свободно перемещаются и не связаны с отдельными катионами.
  9. Модель «свободных валентных электронов» объясняет несколько свойств металлов: они проводят электричество, пластичны и пластичны (могут изменять свою форму без разрушения) и нелетучи.
  10. Как упоминалось выше, тип связи, наблюдаемый в твердом состоянии, определяет свойства твердых тел.

  11. Молекулярные твердые вещества:
  12. Состоят из неметаллов, ковалентно связанных друг с другом.
  13. Состоят из отдельных молекул ковалентно связанных атомов, которые притягиваются друг к другу относительно слабыми (лондонскими и дипольными) силами
  14. Обычно имеют низкие температуры плавления и кипения.
  15. Электроны тесно связаны четко определенными связями, поэтому они не проводят электричество в твердом состоянии или в растворе.
  16. Примеры: CO 2 , I 2 , S 8

  17. Ионные твердые вещества:
  18. имеют низкое давление паров (сильное кулоновское притяжение между ионами)
  19. являются хрупкими и не могут деформироваться (ионы в решетке не могут свободно скользить друг по другу)
  20. Твердые тела не проводят электричество (электроны прочно связаны с ионами)
  21. В водном растворе или в расплавленном виде ионные соединения проводят электричество (теперь ионы могут свободно двигаться). Это часто является отличительной чертой ионного твердого тела.
  22. Растворяется в полярных растворителях и не растворяется в неполярных растворителях.
  23. Примеры: NaCl, Fe 2 O 3

  24. Металлические твердые вещества:
  25. Хорошо проводит тепло и электричество (электроны делокализованы и могут свободно двигаться)
  26. Податливы и пластичны (катионы более свободно перемещаются друг относительно друга, чем в ионных твердых телах)
  27. Блестящие («блестящие») и хорошо проводящие тепло.
  28. Примеры: все чистые металлы: Na, Fe, Al, Au, Ag…

  29. Металлы также могут существовать в виде смесей, называемых сплавами , где атомы либо замещают атомы металла в решетке, либо заполняют пустые пространства в решетке. Различные атомы в решетке металла могут изменить свойства чистого металла.
  30. Примеры: Атомы углерода (около 2%), смешанные с железом, образуют сталь, которая намного прочнее (менее ковкая), чем чистое железо. Латунь — еще один сплав, состоящий из 70% меди и 30% цинка.

  31. Ковалентная сеть Твердые тела образуют большие двумерные или трехмерные сети ковалентно связанных атомов.
  32. Они образованы только неметаллами, которые могут образовывать ковалентные связи
  33. Поскольку все атомы связаны ковалентно, они имеют чрезвычайно высокие температуры плавления.
  34. Ковалентные твердые тела с трехмерной сеткой чрезвычайно твердые и хрупкие. (например, алмаз)
  35. Двумерные сетчатые ковалентные тела имеют слои, которые легче скользят друг относительно друга (например,грамм. графит)
  36. Примеры: алмаз, графит (оба углерода), диоксид кремния, карбид кремния.

  37. Пример вопроса: Неизвестное вещество представляет собой бесцветное кристаллическое вещество. Он плавится при 801°C, его кристаллы хрупкие и ломаются, он растворяется в воде с образованием проводящего раствора. Какая из следующих формул наиболее вероятна для этого соединения? PCl 5 , NaCl, Cu, SiC?
  38. Ответ: NaCl. Свойства указывают на то, что соединение должно быть ионным твердым веществом; остальные три варианта не являются ионными твердыми веществами.
  39. Какой тип связи образует кристаллическую решетку? – Restaurantnorman.com

    Какой тип связи образует кристаллическую решетку?

    Твердые ковалентные сети Это совместное использование приводит к стабильному балансу сил притяжения и отталкивания между этими атомами. Ковалентные твердые тела представляют собой класс соединений с расширенной решеткой, в которых каждый атом ковалентно связан со своими ближайшими соседями. Это означает, что весь кристалл фактически представляет собой одну гигантскую молекулу.

    Есть ли в решетках химические связи?

    Ионная связь – это притяжение между положительно и отрицательно заряженными ионами. Эти противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя ионные сети или решетки. Металлы образуют положительно заряженные ионы, а неметаллы — отрицательно заряженные ионы.

    Какая самая прочная связь в минералах?

    Связь с обменом электронами, или ковалентная связь, является самой прочной из всех типов химической связи. Минералы, связанные таким образом, обладают общей нерастворимостью, большой стабильностью и высокой температурой плавления.

    Имеют ли алмазы ионные связи?

    Алмаз полностью состоит из углерода (атомарный символ С).Каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода одинарными ковалентными связями. Ковалентная связь (в отличие от ионной и металлической связи) — единственный тип химической связи, доступный для неметаллов в отсутствие каких-либо металлов.

    Алмазная связь слаба?

    В алмазе атомы углерода образуют четыре прочные ковалентные связи с другими атомами углерода. В этой структуре нет слабых связей, поэтому для разрушения этого материала требуется гораздо больше энергии, что обуславливает высокую прочность алмаза.

    Алмаз прочнее ионной связи?

    Кварц и алмаз являются более прочными веществами, поскольку их молекулы образуют сетчатые ковалентные структуры. Эти структуры образуют решетчатую структуру, очень похожую на ионные соединения.

    Почему алмаз представляет собой ковалентную связь?

    Алмаз представляет собой гигантскую ковалентную структуру, в которой каждый атом углерода соединен с четырьмя другими атомами углерода прочными ковалентными связями. атомы углерода образуют правильную тетраэдрическую сетчатую структуру. свободных электронов нет.

    Что прочнее графит или алмаз?

    Однако алмаз тверже графита из-за того, что атомы углерода в алмазе образуют 4 ковалентные связи в виде тетраэдрической структуры. Эти атомы углерода в графите имеют тенденцию связываться с более слабыми межмолекулярными силами, так что эти слои скользят друг по другу.

    Энергии решетки в ионных твердых телах

    8.3 Энергии решетки в ионных твердых телах

    Цели обучения

    1. Чтобы понять взаимосвязь между энергией решетки и физическими свойствами ионного соединения.
    2. Использовать цикл Борна–Габера для расчета энергии решетки.

    Напомним из главы 2 «Молекулы, ионы и химические формулы», что реакция металла с неметаллом обычно дает ионное соединение; то есть электроны переносятся от металла ( восстановителя ) к неметаллу ( окислителя ). Ионные соединения обычно представляют собой жесткие, хрупкие, кристаллические вещества с плоскими поверхностями, пересекающимися под характерными углами.Они плохо деформируются и плавятся при относительно высоких температурах. NaCl, например, плавится при 801°C. Эти свойства обусловлены правильным расположением ионов в кристаллической решетке и сильными электростатическими силами притяжения между ионами с противоположными зарядами.

    Хотя уравнение 8.1 продемонстрировало, что образование ионных пар из изолированных ионов высвобождает большое количество энергии, еще больше энергии высвобождается, когда эти ионные пары конденсируются в упорядоченный трехмерный массив (рис. 7.8 «Определение ионного радиуса»). При таком расположении каждый катион в решетке окружен более чем одним анионом (обычно четырьмя, шестью или восемью) и наоборот, поэтому оно более устойчиво, чем система, состоящая из отдельных пар ионов, в которой присутствует только один катион-анионное взаимодействие в каждой паре. Обратите внимание, что r 0 могут различаться между газофазным димером и решеткой.

    Обратите внимание на шаблон

    Ионная решетка более стабильна, чем система, состоящая из отдельных пар ионов.

    Расчет энергии решетки

    Энергия решетки почти любого ионного твердого тела может быть достаточно точно рассчитана с использованием модифицированной формы уравнения 8.1:

    Уравнение 8.4

    U=−k′Q1Q2r0, где U>0

    U , которое всегда является положительным числом, представляет количество энергии, необходимое для диссоциации 1 моля ионного твердого вещества на газообразные ионы. Если принять, что Δ В  = 0, то энергия решетки, U , приблизительно равна изменению энтальпии, Δ Н (см. главу 5 «Изменения энергии в химических реакциях», раздел 5.2 «Энтальпия»):

    Уравнение 8.5

    MX(s)→M+n(g)+X−n(g)       ΔH=U

    Как и прежде, Q 1 и Q 2 — заряды ионов, r 0 — межъядерное расстояние. Из уравнения 8.4 видно, что энергия решетки прямо пропорциональна произведению зарядов ионов и обратно пропорциональна межъядерному расстоянию. Значение константы k ′ зависит от конкретного расположения ионов в решетке твердого тела и их конфигурации валентных электронов, что более подробно будет рассмотрено в главе 12 «Твердые тела».Репрезентативные значения расчетных энергий решетки, которые находятся в диапазоне примерно от 600 до 10 000 кДж/моль, перечислены в таблице 8.1 «Репрезентативные расчетные энергии решетки». Энергии такой величины могут иметь решающее значение для определения химии элементов.

    Таблица 8.1 Репрезентативные расчетные энергии решетки

    Вещество U (кДж/моль)
    НаИ 682
    CAI 2 1971
    МГИ 2 2293
    NaOH 887
    Нет 2 О 2481
    NaNO 3 755
    Ca 3 (PO 4 ) 2 10 602
    СаСО 3 2804

    Источник: данные CRC Handbook of Chemistry and Physics (2004).

    Поскольку энергия решетки зависит от произведения зарядов ионов, соли, имеющей катион металла с зарядом +2 (M 2+ ) и анион неметалла с зарядом -2 (X 2- ) будет иметь энергию решетки в четыре раза больше, чем у M + и X , при условии, что ионы имеют сопоставимый размер (и имеют аналогичные межъядерные расстояния). Например, расчетное значение U для NaF составляет 910 кДж/моль, тогда как U для MgO (содержащего ионы Mg 2+ и O 2– ) составляет 3795 кДж/моль.

    Поскольку энергия решетки обратно пропорциональна межъядерному расстоянию, она также обратно пропорциональна размеру ионов. Этот эффект проиллюстрирован на рис. 8.2 «График зависимости энергии решетки от идентичности галогенида для галогенидов лития, натрия и калия», который показывает, что энергия решетки уменьшается для рядов LiX, NaX и KX по мере увеличения радиуса X. увеличивается. Поскольку R R 0 в уравнении 8.4 — сумма ионных радиусов катиона и аниона ( R 0 = R + + R ), R 0 увеличивается по мере того, как катион становится больше в ряду, поэтому величина U уменьшается.Аналогичный эффект наблюдается, когда анион становится больше в ряде соединений с одним и тем же катионом.

    Рисунок 8.2 График зависимости энергии решетки от идентичности галогенида для галогенидов лития, натрия и калия

    Поскольку ионные радиусы катионов уменьшаются в ряду K + > Na + > Li + для данного галогенид-иона, энергия решетки плавно уменьшается от Li + до K + .И наоборот, для данного иона щелочного металла фторидная соль всегда имеет самую высокую энергию решетки, а йодидная соль — самую низкую.

    Обратите внимание на шаблон

    Энергии решетки максимальны для веществ с небольшими высокозаряженными ионами.

    Пример 2

    Расположите GaP, BaS, CaO и RbCl в порядке возрастания энергии решетки.

    Дано: четыре соединения

    Запрошено: порядок увеличения энергии решетки

    Стратегия:

    Используя уравнение 8.4, предсказать порядок энергий решетки на основе зарядов ионов. Для соединений с ионами с одинаковым зарядом используйте относительные размеры ионов, чтобы сделать этот прогноз.

    Решение:

    Соединение GaP, используемое в полупроводниковой электронике, содержит ионы Ga 3+ и P 3− ; соединение BaS содержит ионы Ba 2+ и S 2– ; соединение CaO содержит ионы Ca 2+ и O 2– ; а соединение RbCl имеет ионы Rb + и Cl . Из уравнения (8.4) мы знаем, что энергия решетки прямо пропорциональна произведению зарядов ионов. Следовательно, мы ожидаем, что RbCl с членом (-1) (+1) в числителе будет иметь самую низкую энергию решетки, а GaP с членом (+3) (-3) — самую высокую. Чтобы решить, имеет ли BaS или CaO большую энергию решетки, нам необходимо рассмотреть относительные размеры ионов, поскольку оба соединения содержат ион металла +2 и ион халькогенида -2. Поскольку Ba 2+ находится ниже Ca 2+ в периодической таблице, Ba 2+ больше, чем Ca 2+ .Точно так же S 2- больше, чем O 2- . Поскольку катион и анион в BaS больше, чем соответствующие ионы в CaO, межъядерное расстояние в BaS больше, а энергия его решетки будет ниже, чем у CaO. Порядок возрастания энергии решетки: RbCl < BaS < CaO < GaP.

    Упражнение

    Расположите InAs, KBr, LiCl, SrSe и ZnS в порядке убывания энергии решетки.

    Ответ: InAs > ZnS > SrSe > LiCl > KBr

    Связь между энергиями решетки и физическими свойствами

    Величина сил, удерживающих ионное вещество вместе, оказывает сильное влияние на многие его свойства. Точка плавления Температура, при которой отдельные ионы в решетке или отдельные молекулы в ковалентном соединении обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения, удерживающие их вместе в твердом теле. Например, это температура, при которой отдельные ионы достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть силы притяжения, удерживающие их на месте. При температуре плавления ионы могут свободно двигаться, и вещество становится жидкостью. Таким образом, точки плавления зависят от энергии решетки для ионных веществ, имеющих сходную структуру.Температуры плавления галогенидов натрия (рис. 8.3 «График зависимости температуры плавления от идентичности галогенида для галогенидов натрия»), например, плавно уменьшаются от NaF до NaI, следуя той же тенденции, что и для их энергий решетки ( Рисунок 8.2 «График зависимости энергии решетки от идентичности галогенида для галогенидов лития, натрия и калия»). Точно так же точка плавления MgO составляет 2825 ° C по сравнению с 996 ° C для NaF, что отражает более высокие энергии решетки, связанные с более высокими зарядами ионов. Фактически, из-за его высокой температуры плавления MgO используется в качестве электрического изолятора в нагревательных элементах для электрических плит.

    ТвердостьСопротивление ионных материалов царапанию или истиранию. ионных материалов, то есть их устойчивость к царапанью или истиранию, также связана с энергией их решетки. Твердость напрямую связана с тем, насколько плотно ионы удерживаются вместе электростатически, что, как мы видели, также отражается в энергии решетки. Например, MgO тверже, чем NaF, что согласуется с его более высокой энергией решетки.

    Помимо определения точки плавления и твердости, энергия решетки влияет на растворимость ионных веществ в воде. В целом, чем выше энергия решетки, тем менее растворимо соединение в воде . Например, растворимость NaF в воде при 25°C составляет 4,13 г/100 мл, но растворимость MgO в тех же условиях составляет всего 0,65 мг/100 мл, что означает, что он практически нерастворим.

    Обратите внимание на шаблон

    Высокая энергия решетки приводит к образованию твердых нерастворимых соединений с высокими температурами плавления.

    Цикл Борна-Габера

    В принципе, энергию решетки можно было бы измерить, объединив газообразные катионы и анионы для образования ионного твердого тела, а затем измерив выделяемое тепло. К сожалению, никогда не удавалось получить измеримые количества газообразных ионов в условиях, когда можно измерить тепловой поток. Вместо этого энергия решетки находится с использованием экспериментально определенных изменений энтальпии для других химических процессов, закона Гесса и термохимического цикла , называемого циклом Борна-Габера. Термохимический цикл, описывающий процесс, в котором ионное твердое тело концептуально образуется из составляющих его элементов. ступенчатым образом., подобные введенным в Главе 5 «Энергетические изменения в химических реакциях». Цикл Борна-Габера, разработанный Максом Борном и Фрицем Габером в 1919 году, описывает процесс, в котором ионное твердое тело концептуально формируется из составляющих его элементов поэтапно.

    Используем цикл Борна–Габера для определения энергии решетки CsF(s). CsF является почти идеальным ионным соединением, потому что Cs является наименее электроотрицательным элементом, который не является радиоактивным, а F является наиболее электроотрицательным элементом.Для построения термохимического цикла образования CsF необходимо знать его энтальпию образования Δ H f , которая определяется следующей химической реакцией:

    Уравнение 8.6

    Cs(т)+12F2(г)→CsF(т)

    Поскольку энтальпия является функцией состояния, общее значение Δ H для ряда реакций представляет собой сумму значений Δ H для отдельных реакций. (Для получения дополнительной информации о функциях состояний и законе Гесса см. главу 5 «Изменение энергии в химических реакциях», раздел 5.2 «Энтальпия».) Таким образом, мы можем использовать термохимический цикл для определения изменения энтальпии, сопровождающего образование твердого CsF из исходных элементов (не ионов).

    Цикл Борна-Габера для расчета энергии решетки фторида цезия показан на рисунке 8.4 «Цикл Борна-Габера, иллюстрирующий изменения энтальпии, связанные с образованием твердого фторида цезия из его элементов». Этот конкретный цикл состоит из шести реакций, уравнение 8.6 плюс следующие пять реакций:

    Рисунок 8.4 Цикл Борна–Габера, иллюстрирующий изменения энтальпии, связанные с образованием твердого фторида цезия из его элементов

    Реакция 1

    Cs(s)→Cs(g)            Δh2=ΔHsub=76,5 кДж/моль

    Это уравнение описывает сублимацию. Превращение твердого вещества непосредственно в газ (без промежуточной жидкой фазы). элементарного цезия, превращение твердого вещества непосредственно в газ.Сопутствующее изменение энтальпии называется энтальпией сублимации (Δ H sub ). Изменение энтальпии, сопровождающее превращение твердого вещества непосредственно в газ. (Таблица 8.2 «Выбранные энтальпии сублимации при 298 К») и всегда положительно, потому что для сублимации твердого тела требуется энергия.

    Таблица 8.2 Отдельные энтальпии сублимации при 298 К

    Вещество Δ H sub (кДж/моль)
    Ли 159.3
    Нет данных 107,5
    К 89,0
    Руб 80,9
    Цз 76,5
    Бе 324,0
    мг 147. 1
    Ка 177,8
    Старший 164,4
    Ба 180,0

    Источник: данные CRC Handbook of Chemistry and Physics (2004).

    Реакция 2

    Cs(g)→Cs+(g)+e–            ∆h3=I1=375.7 кДж/моль

    Это уравнение описывает ионизацию цезия, поэтому изменение энтальпии представляет собой первую энергию ионизации цезия. Вспомните из главы 7 «Периодическая таблица и периодическая динамика», что для ионизации любого нейтрального атома необходима энергия. Следовательно, независимо от соединения, изменение энтальпии для этой части цикла Борна – Габера всегда положительно.

    Реакция 3

    12F2(г)→F(г)            Δh4=12D=79.4 кДж/моль

    Это уравнение описывает диссоциацию молекул фтора на атомы фтора, где D — энергия, необходимая для диссоциации (таблица 8.3 «Выбранные энтальпии диссоциации связи при 298 К»). Нам нужно диссоциировать всего 12 моль молекул F 2 (g), чтобы получить 1 моль атомов F(g). Δ H для этой реакции также всегда положительно, поскольку для диссоциации любой стабильной двухатомной молекулы на атомы компонентов требуется энергия.

    Таблица 8.3 Избранные энтальпии диссоциации связи при 298 K

    Вещество D (кДж/моль)
    Н 2 (г) 436,0
    Н 2 (г) 945,3
    О 2 (г) 498. 4
    F 2 (г) 158,8
    Класс 2 (г) 242,6
    Бр 2 (г) 192,8
    I 2 (г) 151,1

    Источник: данные CRC Handbook of Chemistry and Physics (2004).

    Реакция 4

    F(g) + e–→F–(g)            Δh5= EA = –328,2 кДж/моль

    Это уравнение описывает образование газообразного фторид-иона из атома фтора; изменение энтальпии — это сродство фтора к электрону. Вспомним из главы 7 «Периодическая таблица и периодические тенденции», что сродство к электрону может быть положительным, отрицательным или нулевым. В этом случае Δ H отрицательно из-за сильно отрицательного сродства фтора к электрону.

    Реакция 5

    Cs+(g) + F–(g)→CsF(s)             ΔH5=–U

    Это уравнение описывает образование ионного твердого тела из газообразных ионов. Поскольку реакция 5 является обратным уравнением, используемым для определения энергии решетки, и U определяется как положительное число, Δ H 5 всегда равно отрицательному , как и должно быть на этапе, который формирует облигации.

    Если известна энтальпия образования CsF из элементов (Δ H f  = -553,5 кДж/моль при 298 К), то термохимический цикл, показанный на рис. 8.4 «Цикл Борна–Габера, иллюстрирующий изменение энтальпии Участвует в образовании твердого фторида цезия из его элементов» имеет только одно неизвестное количество Δ H 5  = — U . По закону Гесса мы можем написать

    Уравнение 8.7

    Δ h h f
    = δ h 1 + δ h 2 + δ h 3 + δ h 4 + δ h 5

    Мы можем изменить уравнение 8.7, чтобы дать

    Уравнение 8.8

    h h 5 = δ h 1 + δ h 2 + δ h 3 + δ h 4 — δ h F

    Подставляя вместо индивидуального Δ H с, получаем

    Подстановка соответствующих значений в это уравнение дает

    Уравнение 8.9

    U  = 76,5 кДж/моль + 375,7 кДж/моль + 79,4 кДж/моль + (-328,2 кДж/моль) — (-553,5 кДж/моль) = 756,9 кДж/моль

    U больше по величине, чем любая другая величина в уравнении 8. 9. Процесс, который мы использовали для получения этого значения, обобщен в таблице 8.4 «Сводка реакций в цикле Борна-Габера для образования CsF (ов)».

    Таблица 8.4. Сводка реакций в цикле Борна–Габера для образования CsF(s)

    Реакция Изменение энтальпии (кДж/моль)
    (1) Cs(т) → Cs(г) Δ H sub = 76.5
    (2) Cs(г) → Cs + (г) + е I 1 = 375,7
    (3) ½F 2 (г) → F(г) ½ D = 79,4
    (4) F(g) + e  → F (g) EA = -328. 2
    (5) Cs + (г) + F (г) → CsF(s) U = −756,9
    Cs(s) + ½F 2 (g) → CsF(s) Δ H f = −553,5

    Прогнозирование стабильности ионных соединений

    Уравнение 8.7 можно использовать в качестве инструмента для прогнозирования того, какие ионные соединения могут образовываться из конкретных элементов. Как мы уже отмечали, δ H 1 1 h sub ), δ h 2 ( I ), и δ h 3 ( D ) всегда положительные числа, а Δ H 2 может быть достаточно большим. Напротив, Δ H 4 ( EA ) сравнительно мала и может быть положительной, отрицательной или нулевой. Таким образом, первые три члена в уравнении 8.7 делают образование ионного вещества энергетически невыгодным, а четвертый член в любом случае дает небольшой вклад. Образование ионного соединения будет экзотермическим (Δ H f  < 0) тогда и только тогда, когда Δ H 5 (− U ) является большим отрицательным числом. Это означает, что энергия решетки является наиболее важным фактором, определяющим стабильность ионного соединения . Другим примером является образование BaO:

    .

    Уравнение 8.10

    Ba(s)+12O2(g)→BaO(s)             ΔH=ΔHf

    , чей цикл Борна – Габера сравнивается с циклом образования CsF на рисунке 8.5 «Сравнение изменений энтальпии, связанных с образованием твердых CsF и BaO из их элементов».

    Рисунок 8.5. Сравнение изменений энтальпии при образовании твердых CsF и BaO из их элементов

    Энергия решетки BaO с диположительным катионом и диотрицательным анионом доминирует в цикле Борна – Габера.

     

    Реакция 1

    Ba(s)→Ba(g)            Δh2=ΔHsub=180,0 кДж/моль

    Для возгонки металлического бария (180,0 кДж/моль) требуется более чем в два раза больше энергии, чем для возгонки цезия (76,5 кДж/моль).

    Реакция 2

    Ba(s)→Ba2+(g)+2e–            Δh3=I1+I2=1468.1 кДж/моль

    почти четыре раза энергии необходима для формы BA 2+ ионов ( I 1 = 502,9 кДж / моль, I 2 = 965,2 кДж / моль, I 1 + I 2  = 1468,1 кДж/моль) в виде ионов Cs + ( I 1  = 375,7 кДж/моль).

    Реакция 3

    12O2(г)→O(г)            Δh4=12D=249.2 кДж/моль

    Поскольку энергия связи O 2 (g) составляет 498,4 кДж/моль по сравнению с 158,8 кДж/моль для F 2 (g), для образования атомов кислорода из O 2 требуется более чем в три раза больше энергии. молекул, необходимых для образования атомов фтора из F 2 .

    Реакция 4

    O(г) + 2e–→O2–(г)            Δh5=EA1+EA2=603 кДж/моль

    Образование ионов газообразного оксида (O 2− ) энергетически невыгодно.Несмотря на то, что добавление одного электрона к атому кислорода является экзотермическим ( EA 1  = -141 кДж/моль), добавление второго электрона к иону O (g) является энергетически невыгодным ( EA 2 = +744 кДж/моль) – настолько, что общая стоимость образования O 2− (г) из O(г) является энергетически непомерной ( EA 1  +  EA 2  = +603 кДж/моль).

    Если все первые четыре члена цикла Борна-Габера значительно более положительны для BaO, чем для CsF, то почему вообще образуется BaO? Ответ — образование ионного твердого вещества из газообразных ионов (реакция 5):

    Реакция 5

    Ba2+(г)+O2–(г)→BaO(т)             ΔH5=–U

    Помните из уравнения 8. 4 видно, что энергия решетки прямо пропорциональна произведению зарядов ионов и обратно пропорциональна межъядерному расстоянию. Хотя межъядерные расстояния для BaO и CsF существенно не различаются (275 и 300 пм соответственно), большие заряды ионов в BaO дают гораздо более высокую энергию решетки. Подстановка значений для BaO (Δ H f  = -548,0 кДж/моль) в уравнение и решение для U дает

    U=ΔHsub(Ba)+[I1(Ba)+I2(Ba)]+12D(O2)+[EA1(O)+EA2(O)]−ΔHf(BaO)=180.0 кДж/моль + 1468,1 кДж/моль + 249,2 кДж/моль + 603 кДж/моль-(-548,0 кДж/моль) = 3048 кДж/моль

    Таким образом, U для BaO чуть более чем в четыре раза больше, чем U для CsF. Дополнительная энергия, высвобождаемая при образовании BaO из его ионов, более чем компенсирует дополнительную энергию, необходимую для образования ионов Ba 2+ (g) и O 2– (g) из Ba(s) и 12O2(g).

    Если образование ионных решеток, содержащих многозарядные ионы, столь энергетически выгодно, то почему CsF содержит ионы Cs + и F , а не ионы Cs 2+ и F 2− ? Если предположить, что U для соли Cs 2+ F 2− будет примерно таким же, как U для BaO, то образование решетки, содержащей ионы Cs 2+ и F 2− высвободит 2291 кДж/моль (3048 кДж/моль — 756. на 9 кДж/моль) больше энергии, чем содержащий ионы Cs + и F . Однако для образования иона Cs 2+ из Cs + потребовалось бы удаление электрона 5 p из заполненной внутренней оболочки, что требует большого количества энергии: I 2 = 2234,4 кДж. /моль для Cs. Кроме того, ожидается, что образование иона F 2– будет еще более энергетически невыгодным, чем образование иона O 2–. Мало того, что электрон добавляется к уже отрицательно заряженному иону, но поскольку ион F имеет заполненную подоболочку 2 p , добавленный электрон должен будет занять пустую высокоэнергетическую орбиталь 3 s .Таким образом, фторид цезия не является Cs 2+ F 2− , потому что затраты энергии на образование двухзарядных ионов будут больше, чем дополнительная энергия решетки, которая будет получена.

    Обратите внимание на шаблон

    Энергия решетки обычно является наиболее важным энергетическим фактором, определяющим стабильность ионного соединения.

    Пример 3

    Используйте данные из рисунка 7.13 «Сродство к электрону (в кДж/моль)» таблицы 7.5 «Энергии последовательной ионизации (в кДж/моль) для элементов в третьей строке Периодической таблицы», Таблица 8.2 «Выбранные энтальпии сублимации при 298 K», Таблица 8.3 «Выбранные энтальпии диссоциации связи при 298 K» и Глава 25 «Приложение A: Стандартные термодинамические величины для химических веществ при 25°C» для расчета энергии решетки MgH 2 .

    Дано: химическое соединение и данные из рисунков и таблиц

    Запрашиваемый: энергия решетки

    Стратегия:

    A Напишите ряд ступенчатых реакций образования MgH 2 из его элементов с помощью газообразных ионов.

    B Используйте закон Гесса и данные из указанных рисунков и таблиц для расчета энергии решетки.

    Решение:

    A Закон Гесса позволяет нам использовать термохимический цикл (цикл Борна–Габера) для расчета энергии решетки для данного соединения. Мы начнем с записи реакций, в которых мы поэтапно образуем ионы компонентов из элементов, а затем собираем ионное твердое тело:

    (1)Mg(s)→Mg(g)Δh2=ΔHsub(Mg)(2)Mg(g)→Mg2+(g)+2e−Δh3=I1(Mg)+I2(Mg)(3)h3(g )→2H(г)Δh4=D(h3)(4)2H(г)+2e−→2H−(g)Δh5=2EA(H)(5)Mg2+(г)+2H−(г)→Mgh3( s)ΔH5=−UMg(s)+h3(g)→Mgh3(s)ΔH=ΔHf

    B Таблица 7.5 «Последовательные энергии ионизации (в кДж/моль) для элементов в третьей строке Периодической таблицы» перечислены первая и вторая энергии ионизации для элементов периода 3 [ I 1 (Mg) = 737,7 кДж/моль , I 2 (Мг) = 1450,7 кДж/моль]. Первое сродство к электрону для всех элементов приведено на рис. 7.13 «Сродство к электрону (в кДж/моль)» [ EA (H) = -72,8 кДж/моль]. В таблице 8.2 «Выбранные энтальпии сублимации при 298 K» перечислены выбранные энтальпии сублимации [Δ H sub (Mg) = 147.1 кДж/моль]. В таблице 8.3 «Выбранные энтальпии диссоциации связи при 298 К» перечислены выбранные энергии диссоциации связи [ D (H 2 ) = 436,0 кДж/моль]. Энтальпии образования (Δ H f  = -75,3 кДж/моль для MgH 2 ) перечислены в главе 25 «Приложение A: Стандартные термодинамические величины для химических веществ при 25°C». По закону Гесса Δ H f равно сумме изменений энтальпии для реакций 1–5:

    ΔHf=Δh2+Δh3+Δh4+Δh5+ΔH5=ΔHsub(Mg)+[I1(Mg)+I2(Mg)]+D(h3)+2EA(H)-U-75.3 кДж/моль=147,1 кДж/моль+(737,7 кДж/моль + 1450,7 кДж/моль)    +436,0 кДж/моль+2(-72,8 кДж/моль)-UU=2701,2 кДж/моль

    Для MgH 2 , U  = 2701,2 кДж/моль. Еще раз, энергия решетки обеспечивает движущую силу для образования этого соединения, потому что напишите химическое уравнение для каждого шага и перепроверьте, что значение энтальпии, используемое для каждого шага, имеет правильный знак для реакции в направлении, указанном .

    Упражнение

    Используйте данные из рис. 7.11 «Энергии первой ионизации», рис. 7.13 «Сродство к электрону (в кДж/моль) «, табл. 8.2 «Выбранные энтальпии сублимации при 298 К», табл. 8.3 «Выбранные энтальпии диссоциации связи при 298 К». K» и главу 25 «Приложение A: Стандартные термодинамические величины для химических веществ при 25°C» для расчета энергии решетки Li 2 O. Помните, что сродство второго электрона к кислороду [O (g) + e  → O 2− (g)] является положительным (+744 кДж/моль; см. уравнение 7.13).

    Ответ: 2809 кДж/моль

    Резюме

    Ионные соединения обладают сильным электростатическим притяжением между противоположно заряженными ионами в правильном порядке. Энергия решетки ( U ) ионного вещества определяется как энергия, необходимая для диссоциации твердого тела на газообразные ионы; U можно рассчитать по зарядам ионов, расположению ионов в твердом теле и межъядерному расстоянию.Поскольку U зависит от произведения зарядов ионов, вещества с ди- или триположительными катионами и/или ди- или триотрицательными анионами обычно имеют более высокую энергию решетки, чем их однозарядные аналоги. Более высокие энергии решетки обычно приводят к более высоким точкам плавления и повышенной твердости , поскольку для преодоления сил, удерживающих ионы вместе, требуется больше тепловой энергии. Энергия решетки не может быть измерена напрямую, но получена из термохимического цикла, называемого циклом Борна-Габера , в котором закон Гесса используется для расчета энергии решетки на основе измеренной энтальпии образования ионного соединения, наряду с другими термохимическими данными. Цикл Борна-Габера можно использовать для прогнозирования образования ионных соединений. Сублимация , превращение твердого вещества непосредственно в газ, сопровождается изменением энтальпии, называемым энтальпией сублимации .

    Ключ на вынос

    • Энергия решетки обычно является наиболее важным энергетическим фактором, определяющим стабильность ионного соединения.

    Концептуальные проблемы

    1. Если для образования газообразных ионов требуется много энергии, то почему вообще образуются ионные соединения?

    2. Каковы общие физические характеристики ионных соединений?

    3. Ионные соединения состоят из кристаллических решеток, а не дискретных ионных пар. Почему?

    4. Какие факторы влияют на величину энергии решетки ионного соединения? Какова связь между размером иона и энергией решетки?

    5. Что будет иметь большую энергию решетки — ионное соединение, состоящее из большого катиона и большого аниона, или соединение, состоящее из большого аниона и маленького катиона? Объясните свой ответ и любые предположения, которые вы сделали.

    6. Как соотносится энергия решетки ионного соединения, состоящего из одновалентного катиона и двухвалентного аниона, с энергией решетки ионного соединения, содержащего одновалентный катион и одновалентный анион, если межъядерное расстояние в обоих соединениях одинаково? Поясните свой ответ.

    7. Что будет иметь большую энергию решетки — CrCl 2 или CrCl 3 — при одинаковом расположении ионов в решетке? Поясните свой ответ.

    8. Какой катион в каждой паре, как ожидается, будет образовывать хлоридную соль с большей энергией решетки, если предположить одинаковое расположение ионов в решетке? Объясните свои рассуждения.

      1. Na + , Mg 2+
      2. Ли + , Цс +
      3. Cu + , Cu 2+
    9. Какой катион в каждой паре, как ожидается, будет образовывать оксид с более высокой температурой плавления, если предположить одинаковое расположение ионов в решетке? Объясните свои рассуждения.

      1. Мг 2+ , Ср 2+
      2. Cs + , Ba 2+
      3. Fe 2+ , Fe 3+
    10. Как можно использовать термохимический цикл для определения энергии решетки? Какие этапы такого цикла требуют затрат энергии?

    11. Хотя NaOH и CH 3 OH имеют схожие формулы и молекулярные массы, эти соединения обладают совершенно разными свойствами.Один имеет высокую температуру плавления, а другой представляет собой жидкость при комнатной температуре. Какое соединение какое и почему?

    Численные задачи

    1. Расположите SrO, PbS и PrI 3 в порядке убывания энергии решетки.

    2. Сравните BaO и MgO по каждому из следующих свойств.

      1. энтальпия сублимации
      2. энергия ионизации металла
      3. энергия решетки
      4. энтальпия образования
    3. Вы ожидаете, что образование SrO из составляющих его элементов будет экзотермическим или эндотермическим? Почему или почему нет? Как конфигурация валентных электронов составляющих элементов помогает вам определить это?

    4. Используя информацию в задаче 4 и задаче 5, предскажите, что CaO или MgCl 2 будут иметь более высокую температуру плавления.

    ответы

    1. Энергия решетки прямо пропорциональна произведению зарядов ионов и обратно пропорциональна межъядерному расстоянию. Следовательно, PrI 3  > SrO > PbS.

    2. Несмотря на то, что Mg 2+ меньше, чем Ca 2+ , более высокий заряд O 2- по сравнению с Cl дает CaO большую энергию решетки, чем MgCl 2 .Следовательно, мы ожидаем, что CaO будет иметь более высокую температуру плавления.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.