Общие и различные свойства ионных и ковалентных соединений

Полностью невозможно иногда строго провести границу между ионными и ковалентными соединениями. Тем не менее, существуют большие различия в их свойствах:

1) ионные соединения имеют более высокие температуры плавления и кипения по сравнению с ковалентными соединениями;

2) ионные соединения проводят электричество в расплавленном состоянии, тогда как ковалентные соединения - плохие проводники электричества;

3) ионные соединения обычно более растворимы, чем ковалентные соединения, в растворителях, таких как вода (т.е. молекулы которых - диполи). С другой стороны, ковалентные соединения более растворимы в растворителях, таких как черыреххлористый углерод, бензол (молекулы которых не обладают дипольным моментом). В таких соединениях ионные соединения обычно нерастворимы;

4) реакции, в которых участвуют ионные соединения, обычно имеют бóльшие скорости, тогда как ковалентные соединения обычно реагируют достаточно медленно. Это можно объяснить тем фактом, что составляющие элементы ионных соединений удерживаются друг возле друга за счет электростатических сил и поэтому им легче вступить в реакцию. В случае ковалентных соединений вначале реакции им необходимо разорвать ковалентные связи, и это приводит к замедлению всей реакции.

Металлическая связь

Металлы характеризуются высокой электрической проводимостью, теплопроводностью, характерным металлическим блеском, ковкостью (пластичностью), и.т.д. Металлы кристаллизуются в виде структуры с высоким координационным числом (координационное число - это количество ближайших "соседей" одного иона в кристалле) таким как 8 или 12. В соответствии с теорией свободных электронов в металле структура кристалла металла представляет собой плотно упакованные положительно заряженные ионы металла и электроны которые могут свободно двигаться вокруг них в потенциальном поле, создаваемом положительными ионами. Такая модель способна качественно объяснить свойства металлов.

Как правило, металлическая связь - это очень крепкая связь и поэтому многие металлы характеризуются большой твердостью, высокими температурами плавления и кипения и низкой летучестью. За исключением ртути и галлия самые низкие точки плавления имеют щелочные металлы потому что атомы этих металлов теряют только один электрон при образовании связи. d-элементы переходных металлов могут образовывать дополнительные ковалентные связи.

Высокая подвижность электронов металлов обусловливает их характерные физические (высокая электро и теплопроводность, пластичность, блеск) и химические свойства (оснóвный характер низших оксидов). Электроны в металле образуют не направленную связь в пространстве и это дают металлам способность изменять форму не разрушаясь под действием механических сил.

Meталлы растворяются в полярных растворителях благодаря присутствию ионов металлов в кристаллической решетке.

Водородная связь

Образование водородной связи является следствием полярности связи. Когда атом водорода соединяется ковалентной связью с элементом, обладающим высокой електроотрицательностью, например, фтором, азотом или кислородом, то между вновь образовавшимися молекулами возникает слабая связь (Энергия водородной связи равна

5-7 ккал/моль) благодаря притяжению атома водорода одной молекулы и атома электроотрицательного элемента другой молекулы. Эта слабая связь называется водородной связью.

Межмолекулярные силы притяжения вместе с водородной связью требуют бóльшей энергии для преодоления таких сил межмолекулярного притяжения, поэтому соединения, молекулы которых образуют водородную связь, имеют сравнительно высокие значения температур плавления и кипения.

Структура вещества

В различных фазовых состояниях частицы организованы по-разному. В газообразном состоянии молекулы абсолютно свободны в передвижении. В твердом состоянии такое движение отсутствует, хотя молекулы, aтомы или ионы, которые удерживаются дуг около друга совершают колебательные движения около положения равновесия. Силы, действующие в жидкостях, достаточно сильны для того, чтобы удержать молекулы друг возле друга, но в то же время слабы, чтобы создать структуру, подобную металлической. Изучение структуры жидкостей с помощью дифракции рентгеновских лучей показало, что в жидкостях присутствует ближний порядок, сохраняющийся на расстоянии от 5 дo 10 Å.

Стекловидное состояние. Если порядок в структуре вещества, который является характеристикой кристаллического вещества, существует на расстоянии не больше чем 5 или 10 Å, кристаллической структуры нет. Если при температуре T₁, при которой жидкость кристаллизуется, но внутри ее объема нет ядер для начала кристаллизации, то наступает т.н. переохлаждение, и вещество переходит в метастабильное sсостояние. Если продолжить охлаждение ниже T_1, то возрастает вязкость вещества и при температуре T_с (температура перехода в стекловидное состояние) структура вещества "застывает", вещество становится твердым. При этом внутренняя структура остается подобной структуре жидкости, и вещество находится в стекловидном (aморфном) состоянии. Основной характеристикой стекловидного состояния является высокая способность противостоять различным нагрузкам, в то же время подобно жидкостям они обладают свойством оптической изотропии, и прозрачности.

Жидкие кристаллы. Некоторые твердые вещества при нагревании резко переходят в расплавленное состояние с образованием мутных жидкостей, затем, при дальнейшем нагревании, резко становятся прозрачными.

Мутные жидкости подобно анизотропному кристаллу (свойства в-ва зависят от направления) расщепляют проходящий луч света и обнаруживают явление интерференции поляризованного света. Таким жидкостям, даже если они имеют поверхностное натяжение и обладают текучестью, дали название жидких кристаллов. Кристаллы. Вещества в твердом состоянии можно разделить на кристаллические и аморфные. Некоторые вещества могут существовать в нескольких различных кристаллических формах (модификациях). Такое явление называется полиморфизмом. Свойства веществ в кристаллическом состоянии зависят не только от их состава и внешних условий, но и от их внутренней структуры. Каждая кристаллическая модификация вещества характеризуется определенной геометрической формой кристаллов.

Кристаллы классифицируются по различным признакам. В кристаллографии классификация основана на организации частиц в пространстве. E.Федоровым разработал общую систему классификации кристаллических решеток для 230 возможных типов (1910), и основал кристаллографический анализ. В физической химии удобнее классифицировать кристаллы в соответствии в типом связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Такими частицами могут быть ионы, нейтральные атомы или целые молекулы.

Настоящие кристаллы. Совершенный порядок организации частиц в кристалле в идеальном случае может быть только при абсолютном нуле. При всех других температурах из-за теплового колебания некоторые частицы могут покинуть свое место, или появиться в "неправильном" месте. Термин "несовершенство" или "дефект" используется для обозначения таких исключений в организации частиц, образующих кристаллы. Дефекты такого рода могут иметь огромное влияние на электрические, механические или оптические свойства твердого вещества.

Дефекты по Френкелю - это отсутствие (вакансия) некоторых ионов в узле кристаллической решетки и образование междоузельного атома.

Дефекты по Шоттки - отсутствие (вакансия) ионов в кристаллической решетке, при этом междоузельного атома не образуется.

Материалы (вещества) используемые на практике, и имеющие кристаллическую структуру, обычно состоят их огромного числа мелких кристалликов (поликристаллические). Обычно сплошное поликристаллическое вещество представляет собой множество мелких кристаллов, разделенных тонкими слоями, содержащими различные несовершенства. Некоторые отклонения от правильной структуры (дислокации) появляются в процессе роста кристаллов, другие - как результат механических деформаций. Они могут иметь сильное влияние на свойства кристалла.

Многие свойства материалов зависят больше от природы связи между отдельными кристаллами, чем от свойств самих кристаллов.