Почему соль это кристалл, вода жидкость, а медь проводит ток? Соединяй два атома и смотри, как по разнице электроотрицательностей общая пара электронов смещается и связь становится ионной.
Атомы соединяются, потому что вместе им энергетически выгоднее: их внешние слои заполняются до устойчивых восьми электронов, у водорода до двух. Для этого атомы либо делят электроны поровну, либо один отдает их другому. Что именно произойдет, решает электроотрицательность χ: сила, с которой атом тянет к себе общие электроны.
Если атомы одинаковые, как в H₂, пара электронов посередине: связь ковалентная неполярная. Если один тянет сильнее, как хлор в HCl, пара смещается к нему, на хлоре появляется частичный минус δ−, на водороде частичный плюс δ+: связь полярная. Если разница огромная, как у натрия и хлора, электрон переходит целиком, получаются ионы Na⁺ и Cl⁻, и их держит притяжение зарядов: связь ионная. А в металле атомы отдают внешние электроны в общий «электронный газ», который склеивает решетку ионов.
ⓘ Электроотрицательность по Полингу, ковалентные радиусы по Кордеро (2008). Границы 0,4 и 1,7 условные: природа не делит связи резко, ионный характер растет плавно.
Тип связи, степень ее полярности и электрический диполь считаются из справочных электроотрицательностей и радиусов. Числа под формулами берутся из опыта. Подсвечена карточка, которая сейчас решает, что видно на рисунке.
Какая это связь?
Из большей электроотрицательности вычитаем меньшую. Мало: пара поровну. Больше 0,4: пара смещается. Больше 1,7 у металла с неметаллом: электрон переходит совсем.
Насколько связь похожа на ионную?
Формула Полинга дает долю ионного характера. Это и есть частичный заряд δ в долях заряда электрона: на сколько пара сдвинута от середины.
Насколько сильный получился диполь?
Два частичных заряда на расстоянии d образуют электрический диполь. Его измеряют в дебаях, D. Полярные молекулы поворачиваются в электрическом поле и хорошо растворяют соли.
В кристалле поваренной соли ионы Na⁺ и Cl⁻ чередуются, и каждый окружен противоположными зарядами. Если ударить и сдвинуть один слой на одну позицию, напротив плюса окажется плюс, напротив минуса минус. Слои отталкиваются, и кристалл раскалывается по плоскости. Поэтому ионные вещества твердые, тугоплавкие (NaCl плавится при 801 °C), но хрупкие. Расплав и раствор соли проводят ток: ионы становятся подвижными.
В металле все ионы одного знака, а между ними общий электронный газ. Сдвинь слой, и ничего не изменится: ионы по-прежнему в том же облаке электронов, связь не рвется. Поэтому медь, сталь и алюминий куются, тянутся в проволоку и гнутся. Свободные электроны еще и переносят ток и тепло: отсюда высокая электро- и теплопроводность и металлический блеск.
Ковалентные вещества бывают двух видов. Если атомы связаны в отдельные молекулы, как H₂O или CO₂, то между молекулами силы слабые, и вещество плавится и кипит при низких температурах. Если ковалентные связи идут по всему кристаллу, как в алмазе или кварце SiO₂, получается самое твердое, что бывает.
Электронный газ в меди и алюминии дает высокую проводимость. Поэтому из меди делают обмотки двигателей и генераторов, кабели экскаваторов и самосвалов, а из более легкого алюминия провода линий электропередачи.
Металлическая связь не рвется при сдвиге слоев, поэтому сталь можно ковать, катать в лист, тянуть в проволоку и гнуть в холодном состоянии. На этом держится изготовление валов, рам, канатов и листовых конструкций.
Оксиды MgO и Al₂O₃ с ионной связью плавятся выше 2000 °C. Из них делают футеровку печей и ковшей, изоляторы и абразивы. Но они хрупкие, как соль: удар их раскалывает, поэтому керамику берегут от ударов и резких перепадов температуры.
Карбид вольфрама и карбид кремния держатся сильными ковалентными связями по всему кристаллу. Это одни из самых твердых материалов: из них делают зубья буровых коронок, шарошки, резцы и шлифовальные круги.
Связи O–H полярные, на кислороде δ−, на водороде δ+. Поэтому вода растаскивает ионы солей и растворяет их. Отсюда минерализация шахтных и технологических вод, накипь в теплообменниках и коррозия под слоем влаги.
Молекулы углеводородов почти неполярные: у связи C–H Δχ всего 0,35. Поэтому масло не смешивается с водой, а вода в масле собирается каплями и эмульсией. Это причина, по которой следят за обводнением масла в гидросистемах и редукторах.
Тип связи определяется по разности электроотрицательностей. Границы 0,4 и 1,7 условные: например, у HF Δχ = 1,78, но это полярная ковалентная связь двух неметаллов, поэтому в опыте связь между двумя неметаллами всегда считается ковалентной. Ионный характер по формуле Полинга это оценка, реальный дипольный момент HCl 1,08 D, а оценка дает около 1,3 D. Длина связи взята как сумма ковалентных радиусов для одинарной связи; двойные и тройные связи короче, например C=O в CO₂ около 116 пм. На рисунке показаны только электроны внешнего слоя, а для молекул из нескольких атомов показана одна связь. Электронный газ металла нарисован точками для наглядности: на самом деле свободные электроны размазаны по всему кристаллу.