Урок "Металічний та водневий зв'язок. Електронна природа—спільне і відмінне всіх типів хімічного зв’язку. Будова речовини"

№

п/п

Зміст уроку

Методи і методичні прийоми

І.

Організація учнів класу

ІІ.

Перевірка д/з та актуалізація опорних знань

1. Наведіть класифікацію  хімічного зв’язку
2. Поясніть механізми утворення ковалентного зв’язку. За якими параметрами він характеризується?
3. В чому полягає відмінність ковалентного та йонного зв’язку?
4. Чим характеризується йонний зв'язок?
5. Як розрізнити ковалентний полярний, неполярний і йонний зв’язки?
6. Самостійна робота

Варіант 1

1. Вкажіть тип хімічного зв’язку в кожній з наведених сполук: СаО, S₈, SiO₂,KCl, CCl₄, O₂, N₂, CO, Na₃N, K₂SO₄

2. Поясніть механізм утворення молекул, складіть формули Льюїса для сполук: брому, бор трифториду, кальцій хлориду, амоній хлориду.
3. Напишіть структурну формулу натрій гідрогенкарбонату та вкажіть сумарне число електронів, що бере участь в утворення зв’язків, зазначте тип кожного звязку.

Варіант 2

1.Вкажіть тип хімічного зв’язку в кожній з наведених сполук: СО, Al₂S₃, SiO₂,KCl, CH₄, H₂, F₂, NO, Na₃N, Na₂SO₃

2.Поясніть механізм утворення молекул, складіть формули Льюїса для сполук: хлору, сірководню, барій сульфіду, фосфор(V)хлориду.

3.Напишіть структурну формулу калій сульфату та вкажіть сумарне число електронів, що бере участь в утворенні зв’язків, зазначте тип кожного зв’язку.

ІІІ.

Тема. Металічний і водневий зв'язок

Що називають металічним зв’язком і як він виникає?

Для яких речовин характерний металічний зв'язок?

Чим він відрізняється від ковалентного?

Які фізичні властивості обумовлює металічний зв'язок?

Металічний зв'язок—це багато центровий зв'язок. Який існує у металах та їх сплавах між позитивними йонами та валентними електронами, що є спільними для всіх йонів.

У металів енергія йонізації атомів нижча, ніж у неметалів, тому в них валентні електрони легко відриваються від окремих атомів і стають спільними для всього кристалу.  Згідно теорії вільних електронів у вузлах решітки металів знаходяться позитивно заряджені йони,а в об’ємі перебуває «електронний газ»(електрони). Тому валентні електрони не локалізовані, а між позитивно зарядженими йонами і нелокалізованими електронами існує електростатична взаємодія, яка обумовлює стійкість речовини. 

В основі виникнення металічного зв’язку лежать процеси утворення спільних валентних електронів, які є спільними для всього кристалу.

Металічний зв'язок є не напрямленим, оскільки валентні електрони розподілені по кристалу рівномірно. Стабільність кристалічних ґраток обумовлена електростатичним притяганням йонів і узагальнених електронів, що неперервно рухаються між йонами. Енергія металічного зв’язка у менша за енергію ковалентного зв’язку.

Наявність електронів, що можуть вільно рухатися по об’єму кристалу, обумовлює високі тепло- та електропровідність, ковкість та пластичність.

Завдання

Вкажіть положення металів у періодичній системі хімічних елементів.

Поясніть як змінюються металічні властивості в періодах і групах.

На основі особливостей електронної будови атомів поясніть, чому всі елементи побічних груп є металами?

Водневий зв'язок

1. Що називають водневим зв’язком і як він виникає?
2. Чим відрізняється водневий зв'язок від інших типів зв’язків?
3. Як впливає водневий зв'язок на властивості речовин?

Водневий зв'язок—це трицентровий зв'язок, який виникає через атом Гідрогену між двома електронегативними атомами(найчастіше атомами Флуору, Оксигену та Нітрогену. Якщо водневий зв'язок виникає між групами однієї молекули, то він називається внутрішньомолекулярним(у амінокислотах і білках), а якщо між різними молекулами—міжмолекулярним(у воді, спиртах, водних розчинах спиртів, кислот). Утворення водневого зв’язку обумовлено тим, що в полярних молекулах чи йонах  атом Гідрогенумає унікальні властивості: не має електронних оболонок, електронна пара значно зміщена до більш електронегативного атома, має дуже малий розмір.

Водневий зв'язок слабший за йонний і ковалентний, енергія цього зв’язку зростає із збільшенням електронегативності і зменшенням розмірів атомів.

Внаслідок утворення водневого зв’язку утворюються димери, тримери та полімерні структури або складні конфігурації (ажурна структура льоду). Так утворення міжмолекулярного водневого зв’язку призводить до зміни властивостей речовин: підвищується в’язкість, діелектрична стала, температури кипіння і плавлення, теплота пароутворення, хімічна активність(розчин НF-слабка кислота, а її аналог НCl-сильна).

Молекули з внутрішньо молекулярним водневим зв’язком не можуть вступати у міжмолекулярні водневі зв’язки, тому такі речовини більш леткі, менш в’язкі, мають меншу температури плавленої кипіння.

Водневий зв'язок відіграє важливу роль в утворенні структури білків,вуглеводів та нуклеїнових кислот.

Завдання

Поясніть утворення водневого зв’язку у фтор оводні та спиртах.

Сили Ван-дер-Ваальса

У 1873р голандський вчений І. Ван-дер-Ваальс припустив, що існують сили, що обумовлюють притягання між молекулами. Ці сили включають три складові: диполь-дипольну, індукційну і дисперсійну взаємодію.

Диполь-дипольна взаємодія

При наближенні полярних молекул води орієнтуються так, щоб позитивний бік одного диполю орієнтувався до негативного боку іншого.

Індукційна взаємодія—взаємодія постійних та індукційних диполів, що виникають під дією диполів на неполярні молекули.

Дисперсійна взаємодія обумовлена  виникненням миттєвих диполів, які виникають флуктуації електричної густини.

Із збільшенням сумарної енергії міжмолекулярної взаємодії зростає температура кипіння рідин, теплота їх випаровування, енергія такої взаємодії на 1-2 порядка нижча енергії хімічного зв’язку.

Залежність властивостей речовин від типу хімічного зв’язку і типу кристалічних ґраток.

У звичайному житті ми маємо справу з різними речовинами, які перебувають в різних агрегатних станах. Властивості речовин залежать від природи атомів, типу хімічного зв’язку та типу кристалічної гратки.

«Спільний проект»

Клас об’єднується у 5 груп (4 навчальні і 1 група експертів). У кожній групі вчитель призначає консультанта. Групам видаються тексти з навчальною інформацією та завдання. Група експертів працює з підручником та літературою і готує узагальнюючу інформацію. Час виконання 8хв.

1. Які частинки розташовані у вузлах кристалічної гратки, яку ви вивчаєте?
2. Назвати вид хімічного зв’язку
3. Вказати тип хімічних елементів, що утворюють даний тип кристалічної гратки
4. навести приклади сполук
5. Вказати типові фізичні властивості речовин з даним типом кристалічної гратки

     Атоми металічних елементів досить легко віддають електрони, тому у вузлах кристалічної гратки металів перебувають йони металів, у просторі між якими вільно перебувають електрони, що утворюють так званий електронний газ. Розміри всі йонів в металах однакові, тому йони в металах упаковані щільно і утворюють найпростіші кристалічні структури. Металічні структури утворюють як метали, так і деякі сполуки з металічним зв’язком, наприклад нітриди Титану і Хрому.У металічних структурах електрони можуть вільно пересуватися по всьому кристалу і тому обумовлюють зв'язок між всіма позитивними йонами в кристалі. Завдяки такій поведінці електронів метали виявляють добру електро- та теплопровідність. Окремі шари йонів можна без наслідків пересувати один відносно одного, бо у всіх вузлах гратки містяться позитивні йони, що утримуються разом завдяки притяганню до електронного газу. Цим обумовлюється пластичність(ковкість) металів.

    Якщо у вузлах кристалічної гратки розташовані йони, таку гратку називають йонною. Різнойменні йони, з яких складаються кристали, утримуються разом електростатичними силами. Тому структура йонної кристалічної гратки повинна забезпечувати їхню електронейтральність. Навколо кожного йона в кристалічній гратці перебуває певна кількість протилежних йонів. Так, у кристалічній гратці натрій хлориду кожен йон Na⁺  оточений шістьма йонами Cl‾ . аналогічно кожен йон Cl‾  оточений шістьма йонами Na⁺. Йонні кристалічні гратки характерні для речовин з йонним зв’язком.

     Оскільки число зв’язків у йонних кристалах величезне, то всі йони міцно зв’язані між собою. Для того, щоб зруйнувати їх, необхідно нвдати велику кількість енергії. Тому і йонні сполуки за кімнатної температури є твердими, а плавляться і киплять лише при сильному нагріванні. Наприклад, температура плавлення кухонної солі становить 801⁰С. рекордсмен по тугоплавкості серед йонних сполук—MgO , що плавиться при 2800⁰С і кипить при 3600⁰С.

Речовини з йонними кристалічними гратками мають порівняно високу твердість. Вони нелеткі, тому не мають запаху. Але на відміну від металічних структур йонні кристали є крихкими, оскільки навіть невеликий зсув шарів у кристалі наближає однойменно заряджені йони. Відштовхування між якими приводить до розриву йонних зв’язків і появи тріщин  кристалі або навіть до його руйнування.

     Хоча в йонних кристалах є готові носії електричного заряду(катіони і аніони), у твердому стані йонні сполуки не проводять електричний струм, бо всі йони закріплені на своєму місці і не можуть вільно пересуватися по кристалу. Але якщо нагріти і перевести йонну сполуку у рідкий стан(розплавити), то всі йони стають рухливими і тому розплави йонних сполук добре проводять електричний струм. Електричний струм проводять не тільки їхні розплави, але й розчини, багато йонних сполук легко розчиняються у воді.

     У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані молекули, що зв’язані між собою слабкими міжмолекулярними силами. Наприклад, лід складається з молекул води, що утримуються разом у кристалічній гратці водневими зв’язками. Йод також існує у вигляді молекулярних кристалів. Вузли кристалічної гратки кристалів йоду зайняті двохатомними молекулами йоду І₂ . хлор  і бром утворюють подібні структури  за більш низьких температур. Таку саму структуру має твердий Карбон(IV) оксид («сухий лід»). Молекулярну структуру має ряд неорганічних сполук (твердий амоніак), більшість органічних сполук (тверді метан, етиловий спирт, бензен, фенол, нафталін тощо). Молекулярні структури можуть утворювати речовини лише з ковалентними зв’язками .

     Окремі молекули, що розташовані у вузлах кристалічної гратки, зв’язані між собою слабкими силами, значно слабкішими, ніж хімічні зв’язки у молекулі. Їх легко зруйнувати, бо ці речовини є крихкими і мають невеликі значення температур плавлення і кипіння. Велике число речовин з молекулярною структурою за звичайних умов перебувають у рідкому або газоподібному стані (хлор, хлороводень, кисень). Деякі з молекулярних речовин при нагріванні сублімуються (йод, вуглекислий газ, нафталін).

     Розчинність таких речовин у воді залежить від типу зв’язку в їх молекулах. Речовини з ковалентним неполярним зв’язком у воді не розчиняються, а більшість речовин з ковалентним полярним розчиняються у воді. Молекули речовин не містять вільних носіїв електричного заряду, тому ні в рідкому, ні в твердому стані молекулярні структури електричний струм не проводять. 

     Атомні кристали мають гратку, побудовану з атомів, що з’єднані між собою міцними ковалентними зв’язками. В таких структурах неможливо виділити структурну одиницю, яку можна називати молекулою. Кожен кристал являє собою одну велику молекулу. Саме тому кристали називаю ще надмолекулярними.

     Всі атоми в атомних структурах міцно зв’язані між собою ковалентними зв’язками. Щоб їх зруйнувати. Необхідна дуже велика кількість енергії. Саме тому речовини з атомною кристалічною граткою мають дуже високі температури плавлення і кипіння. Вони нерозчинні у воді та в інших розчинниках. Атоми в кристалічній гратці мають розташовуватися тільки у чітко визначених місцях і на певній відстані один від одного. Зсув атома зі свого місця приводить до руйнування ковалентного зв’язку, а для цього необхідно багато енергії. Тому речовини з атомною граткою дуже тверді, непластичні і не крихкі.

Прикладом речовини з атомною кристалічною граткою є алмаз—найтвердіша речовина із всіх відомих. Атоми Карбону утворюють чотири одинарні зв’язки, спрямовані до вершин тетраедра, у центрі якого розташовується атом Карбону. Кожен з них зв’язується ще з трьома іншими атомами Карбону. Утворюється тривимірна гратка, складена винятково  з атомів Карбону. Алмаз є найтвердішою речовиною, а температура плавлення становить 3500⁰С.

     Подібну гратку утворюють атоми Силіцію і Оксигену у кварці.

Графіт також має атомну кристалічну гратку, але на відміну від алмазу і кварцу в графіті кожен атом Карбону утворює три ковалентні зв’язки із трьома іншими атомами Карбону, при цьому утворюється плоска «сітка шестикутників». Кожний з шарів, утворених атомами Карбону, характеризується ковалентними зв’язками усередині кожного шару, а шари один з одним зв’язані слабкими зв’язками. Завдяки цьому шари легко зсунути один відносно одного, якщо прикласти навіть невелике зусилля. Цим пояснюються «пишучі» властивості графіту. На відміну від алмазу графіт добре проводить електричний струм. Але електрони можуть пересуватися лише в одному напрямку: уздовж площини шестикутників.

ІV.

Виконання тренувальних вправ

Учні об’єднуються в 6 навчальних груп. В кожній групі вчитель призначає консультанта, учні обирають годинникаря(слідкує за часом виконання завдань) та секретаря.

І варіант

Складіть формули сполук карбону з : а)Гідрогеном, б) Оксигеном, в)Алюмінієм. Напишіть структурні формули, укажіть тип хімічного зв’язку, визначте тип кристалічних граток цих речовин.

ІІ варіант

Під дією електричного струму на розплав речовини утворюється Бром і Калій. Визначте вихідну речовину, запишіть для неї формулу Льюїса, назвіть види хімічного зв’язку і тип кристалічної гратки у вихідній речовині та продуктах реакції.

ІІІ. Висловіть припущення про тип кристалічних речовин на основі їх фізичних властивостей

Робота в малих навчальних групах

V.

Повідомлення д/з

Повторити механізми утворення ковалентного зв’язку

VI.

Підсумки уроку

«Я вмію…»

«Вдалося...»

«Свою роботу в групі я оцінюю…»

Методика «Незакінчене речення»