Этот урок проведём на зимних каникулах: на кухне температуры плавления соли, сахара и метана различаются почти на тысячу градусов, на Янардаге тысячи лет горит метан, утром на морозе замерзает и трескается бутылка с водой. Ключ ко всему — химическая связь. Изучим ковалентную, ионную, металлическую и водородную связь, σ- и π-связи, гибридизацию и форму молекул и решим задания ГЭЦ.
≈ 50 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 5материал 8–11 классовПервый вечер зимних каникул. На улице идёт снег. На кухне на газовой плите кипит суп — в синем пламени горит природный газ, т. е. метан. Мама солит суп, кладёт сахар в чай. Ученик 10 класса смотрит в таблицу в учебнике химии: поваренная соль плавится при 801 °C, сахар — при 186 °C, а метан — при −182 °C.
Разница почти в тысячу градусов! Все три вещества в твёрдом состоянии — кристаллы. Но «клей», удерживающий кристалл, — связь между частицами — у каждого свой. Какая связь самая прочная и почему?
Идёт снег, пламя плиты колышется, из кастрюли поднимается пар.Сначала предположиКак ты думаешь, для плавления кристалла какого из этих веществ нужна самая высокая температура? Ответ объясним кристаллическими решётками в 5-й главе.
Атомы редко существуют поодиночке: они соединяются в молекулы, ионные кристаллы, металлы. Причина — химическая связь, взаимодействие за счёт внешних электронов. В этом уроке изучим виды связи, σ- и π-связи, гибридизацию и пространственное строение молекул, кристаллические решётки.
Глава 1Когда два атома водорода сближаются, их 1s-электронные облака перекрываются, и два электрона образуют общую электронную пару, притягиваемую сразу к обоим ядрам. Энергия системы понижается — молекула устойчивее отдельных атомов.
Анимация · образование молекулы H₂При расстоянии 74 пм энергия минимальна: это длина связи H–H, а 436 кДж/моль — энергия связи, т. е. энергия, нужная, чтобы разорвать молекулу на атомы.Ковалентная связьКовалентная связь образуется за счёт общих электронных пар (обменный механизм: каждый атом даёт по неспаренному электрону). Число ковалентных связей атома — его валентность. Между атомами одного элемента (H₂, Cl₂, O₂, N₂) пара симметрична — неполярная связь; между атомами с разной электроотрицательностью (HCl, H₂O) пара смещена к более электроотрицательному атому — полярная связь (δ+ и δ−).
Между атомами может быть одна, две или три общие пары: одинарная (H–H, Cl–Cl), двойная (O=O) и тройная (N≡N) связь. На внешнем слое азота три неспаренных электрона (2p³), поэтому два атома азота образуют три общие пары; связь N≡N очень прочная (946 кДж/моль) — поэтому азот химически пассивен.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026В молекуле какого вещества в образовании химических связей участвуют 6 электронов?
Рисунок меняется вместе с шагами.A) Cl₂B) O₂C) H₂D) F₂E) N₂У галогенов 1 неспаренный электрон (ns²np⁵), у кислорода — 2 (2p⁴).
Азот: 2s²2p³ — три неспаренных электрона, каждый атом даёт по три.
В образовании одной связи участвуют 2 электрона. Если посмотреть на структурные формулы данных молекул: Cl-Cl, O=O, H-H , F-F, N≡N, только в молекуле азота в образовании связей участвуют 6 электронов.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)
Полярность связи показывает разность электроотрицательностей (ΔЭО). Условная граница: ΔЭО = 0 — неполярная, 0 < ΔЭО < 1,7 — ковалентная полярная, ΔЭО ≥ 1,7 (обычно активный металл + неметалл) — ионная связь. В лаборатории выбери два элемента и посмотри, как смещается пара.
Лаборатория · вид связиАнимация · выбери два атомапервый атом0второй атом14Пара смещается к атому с большей ЭО; между активным металлом и неметаллом пара переходит полностью — образуются ионы; два атома металла образуют металлическую связь.Пример 1Определите вид связи в H₂, HCl, H₂O, NaCl и Cl₂; укажите самую полярную ковалентную связь.
Чем больше ΔЭО, тем сильнее смещена пара.
Сколько всего электронов участвует в образовании химических связей в молекуле NH₃?
Три связи N–H, каждая — 2 электрона.
Глава 2Ковалентная связь может образоваться и иначе: один атом предоставляет готовую неподелённую электронную пару (донор), а другой — свою свободную орбиталь (акцептор). Именно так происходит при реакции аммиака с кислотой.
Анимация · NH₃ + H⁺ → NH₄⁺После образования четвёртая связь N–H ничем не отличается от остальных трёх. Валентность азота в NH₄⁺ равна IV, а степень окисления остаётся −3. По тому же механизму образуются H₃O⁺ (гидроксоний) и третья связь в CO.σ- и π-связиОрбитали могут перекрываться двумя способами. Перекрывание вдоль линии, соединяющей ядра, даёт σ-связь (s–s, s–p, p–p, гибридные орбитали). Боковое перекрывание параллельных p-орбиталей даёт π-связь: её облако над и под осью. Любая одинарная связь — σ; двойная = 1 σ + 1 π; тройная = 1 σ + 2 π. π-связь слабее σ и легко разрывается — с этим связана активность непредельных соединений.
Анимация · σ и π в этиленеМежду атомами углерода одна σ-связь (sp²–sp²) и одна π-связь (p–p); четыре связи C–H — σ(sp²–s).Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026Сколько всего σ-связей в молекуле этилена?
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 4B) 6C) 7D) 5E) 8Между двумя атомами может быть только одна σ-связь; остальные — π.
Внимание: правило «число атомов − 1» верно только для молекул с открытой цепью (без циклов): каждая σ-связь соединяет два атома, образуя «дерево». В циклических молекулах (напр. циклогексан C₆H₁₂) число σ-связей равно числу атомов: 18.
Чтобы найти число сигма-связей в алифатических углеводородах, нужно из суммы индексов вычесть единицу. Число сигма-связей в молекуле этилена (C₂H₄) = 2 + 4 – 1 = 5Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
Сколько π-связей в молекуле ацетилена (HC≡CH)?
Тройная связь = 1 σ + 2 π.
Глава 3На следующий день семья едет к Янардагу на Апшероне. Вечереет; вдоль подножия склона из песчаника тысячи лет не угасая горит выходящий из земли природный газ. Отец говорит: «Это метан — тот же газ, что горит в нашей плите».
Ученик думает: у углерода в основном состоянии всего два неспаренных электрона (2s²2p²), а в метане четыре одинаковые связи C–H. Как углерод образует четыре одинаковые связи и каков угол H–C–H?
У подножия склона колышутся языки газового пламени; в круге молекула метана.Углерод возбуждается (2s¹2p³) и получает четыре неспаренных электрона. Но s- и p-орбитали различны, а четыре связи метана совершенно одинаковы. Объяснение дал Л. Полинг: при образовании связей разные орбитали «смешиваются», и образуются одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали.
ГибридизацияГибридизация — смешение разных орбиталей атома с образованием одинаковых гибридных орбиталей. Сколько орбиталей смешивается, столько гибридных получается: sp³ (1 s + 3 p → 4, тетраэдр, 109,5°), sp² (1 s + 2 p → 3, плоскость, 120°, одна p остаётся), sp (1 s + 1 p → 2, линейная, 180°, две p остаются). Гибридные орбитали образуют σ-связи или содержат неподелённые пары; π-связи образуют негибридные p-орбитали.
Тип гибридизации определяет форму молекулы. Насыщенный C — sp³, C при двойной связи — sp², при тройной — sp.Анимация · sp³: CH₄, NH₃, H₂OВо всех трёх молекулах центральный атом в состоянии sp³ и имеет 4 гибридные орбитали. Неподелённая пара занимает больше места, чем связывающая, и «поджимает» атомы H: 109,5° → 107° → 104,5°.ИсторияВопрос у Янардага. Углерод возбуждается (2s²2p² → 2s¹2p³), затем одна s- и три p-орбитали смешиваются в четыре одинаковые sp³-орбитали. Максимально удаляясь друг от друга, они направлены к вершинам тетраэдра — каждая образует с s-орбиталью водорода σ(sp³–s)-связь. Угол 109,5°. А горение метана: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O — все эти связи рвутся и образуются новые.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025Вычислите сумму x+y.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 7B) 9C) 5D) 6E) 4Вопрос о гибридных орбиталях, образующих связи, а не обо всех гибридных орбиталях.
В молекуле аммиака (NH₃) атом азота в состоянии sp³-гибридизации, и из 4 гибридных орбиталей азота три, перекрываясь с s-орбиталью водорода, образуют связи:x = 3 В молекуле воды (H₂O) атом кислорода в состоянии sp³-гибридизации, и из 4 гибридных орбиталей кислорода две, перекрываясь с s-орбиталью водорода, образуют связи:y = 2Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025
Число связей σ(sp³- s) в молекуле алкана равно 10. Определите число гибридных орбиталей в молекуле этого алкана.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 12B) 30C) 20D) 16E) 24Водород не гибридизуется — у него только s-орбиталь.
В алканах все атомы углерода находятся в sp³-гибридном состоянии. Поэтому число связей σ(sp³ – s) равно числу атомов водорода:CₙH₂ₙ₊₂ 2n + 2 = 10 2n = 8n = 4 (C₄H₁₀) Число гибридных орбиталей: 4n = 4 · 4 = 16Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF)Проверь себя
Сколько гибридных орбиталей в молекуле пропена (CH₂=CH–CH₃)?
Два sp²-углерода (3 + 3) и один sp³-углерод (4).
Глава 4Между атомами с сильно различающейся электроотрицательностью (активный металл и неметалл) электрон переходит полностью: Na − e⁻ → Na⁺, Cl + e⁻ → Cl⁻. Разноимённые ионы притягиваются электростатически — это ионная связь. Она ненаправленная и ненасыщаемая: каждый ион притягивает все соседние противоионы, поэтому ионные соединения образуют не молекулы, а огромный ионный кристалл.
Анимация · ионная решётка и электронный газВ кристалле NaCl каждый Na⁺ окружён шестью Cl⁻, каждый Cl⁻ — шестью Na⁺ (в одном слое на рисунке видно четыре соседа). В металле же внешние электроны распределены по всему кристаллу и свободно движутся между положительными ионами.Металлическая связьМеталлическая связь — связь между положительными ионами в кристалле металла и свободно движущимися между ними обобществлёнными электронами («электронным газом»). Ею объясняются электро- и теплопроводность металлов, их блеск и ковкость.
Пример 2Определите вид связи в веществах KF, H₂S, Mg, Br₂.
Электрон полностью переходит от калия к фтору: K⁺F⁻.
Сколько ионов Cl⁻ приходится по формуле на один ион Ca²⁺ в кристалле CaCl₂?
Кристалл нейтрален: +2 + 2 · (−1) = 0.
Глава 5Следующим утром мороз −10 °C. Ученик берёт вчера забытую в машине полуторалитровую бутылку воды: вода полностью замёрзла, пластиковая бутылка раздулась и треснула. А в ведре во дворе кусок льда плавает на воде.
Обычно вещества при замерзании уплотняются, и твёрдая фаза тонет в жидкости. Вода — наоборот. Плотность льда 0,92 г/см³. Какой объём займёт лёд из 1,5 л (1500 г) воды и почему лёд легче воды?
Идёт снег; в руках ученика замёрзшая треснувшая бутылка, в ведре плавает лёд.Водородная связьВодородная связь — дополнительное притяжение между положительно поляризованным атомом водорода, связанным с очень электроотрицательным атомом (F, O, N), и неподелённой парой атома F, O, N другой (или той же) молекулы: O–H···O. Она примерно в 10–20 раз слабее ковалентной, но резко повышает температуры кипения воды, спиртов, HF, удерживает структуру белков и ДНК.
Анимация · вода замерзаетВ жидкости водородные связи постоянно рвутся и возникают вновь, молекулы упакованы плотно. Во льду каждая молекула прочно связана водородными связями с соседями (в пространстве — 4 соседа), и образуется ажурная решётка, похожая на соты.ИсторияВопрос про бутылку. Масса не меняется: m = 1500 г. Объём льда V = 1500 / 0,92 ≈ 1630 см³ ≈ 1,63 л — при замерзании объём воды увеличивается примерно на 8,7 %. 1,63 литра льда не помещаются в полуторалитровую бутылку — она трескается. Пустоты в решётке льда делают его легче воды — поэтому лёд плавает, а водоёмы замерзают сверху, а не со дна, и рыбы зимуют подо льдом.
| Решётка | В узлах | Связь | Примеры и свойства |
|---|---|---|---|
| ионная | ионы | ионная | NaCl (801 °C), KF, CaO — твёрдые, тугоплавкие, расплавы и растворы проводят ток |
| атомная | атомы | ковалентная | алмаз, SiO₂ (кварц), B — очень твёрдые, очень тугоплавкие (алмаз > 3500 °C) |
| молекулярная | молекулы | межмолекулярная, водородная | лёд (0 °C), сахар (186 °C), I₂, CO₂, CH₄ (−182 °C) — легкоплавкие, летучие |
| металлическая | ионы и атомы | металлическая | Na, Fe, Cu — блеск, электро- и теплопроводность, ковкость |
Вопрос с кухни. Соль NaCl — ионная решётка: каждый ион сильно притягивается к шести противоионам — для её разрушения нужно 801 °C. Сахар имеет молекулярную решётку: ковалентно связанные молекулы удерживаются слабыми межмолекулярными силами и водородными связями — 186 °C. Молекулы метана неполярны, водородных связей нет, между ними лишь слабое притяжение — −182 °C.
Пример 3Почему температуры кипения HF (19,9 °C) и HCl (−85 °C) так различаются, хотя молярная масса HCl больше?
Водородная связь образуется только с F, O, N — для Cl она очень слаба.
Каким будет объём льда из 1 кг воды? (ρ(льда) = 0,92 г/см³; с точностью 0,01)
V = 1000 / 0,92 см³.
ПрактикумЭти задания взяты из экзаменов ГЭЦ. Сначала реши сам, затем открой «Ответ и пояснение ГЭЦ».
ГЭЦ · 07.06.2026Определите вещества X, Y и Z.
Столбцы вариантов: X | Y | Z.
A) CH₄ | NH₃ | H₂OB) CH₄ | H₂O | NH₃C) H₂O | NH₃ | CH₄D) NH₃ | H₂O | CH₄E) NH₃ | CH₄ | H₂OОтвет и пояснение ГЭЦОтвет: X — CH₄, Y — NH₃, Z — H₂O (вариант A). Во всех трёх молекулах центральный атом sp³; гибридных орбиталей в связях: CH₄ — 4, NH₃ — 3 (одна пара), H₂O — 2 (две пары).
Во всех трёх молекулах центральный атом находится в sp³-гибридном состоянии и имеет 4 гибридные орбитали. В молекуле CH₄ в образовании связей участвуют все 4 гибридные орбитали, в молекуле NH₃ — 3, а в молекуле H₂O — 2.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)Итоги
После образования различия нет: все четыре связи N–H в NH₄⁺ одинаковы.
«Двойная связь — это две σ-связи».Между двумя атомами может быть только одна σ-связь: двойная = σ + π.
«В NH₃ азот sp², потому что у него три связи».Неподелённая пара тоже занимает гибридную орбиталь: 3 σ + 1 пара = 4 орбитали → sp³ (пирамида).
«Водородная связь — это связь O–H внутри молекулы».O–H — ковалентная связь; водородная — слабое притяжение H одной молекулы к O другой (O–H···O).
ИтогиЗадания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.
1 · Уровень 1В какой молекуле связь ковалентная неполярная?
Между одинаковыми атомами общая пара симметрична.
2 · Уровень 1В каком веществе ионная связь?
K — активный металл, Cl — неметалл: ΔЭО = 3,0 − 0,8 = 2,2.
3 · Уровень 2Сколько σ-связей в молекуле ацетилена (C₂H₂)?
Две C–H и одна C–C σ: 2 + 2 − 1 = 3; ещё 2 π в тройной связи.
4 · Уровень 2Тип гибридизации бора и угол F–B–F в молекуле BF₃:
B*: 2s¹2p² — смешиваются три орбитали: sp², плоский треугольник.
5 · Уровень ГЭЦВ каком веществе есть связь, образованная по донорно-акцепторному механизму?
В ионе NH₄⁺ одна связь N–H образована за счёт пары азота и свободной орбитали H⁺.
6 · Уровень ГЭЦТемпература кипения какого вещества аномально высока из-за водородных связей?
Кислород очень электроотрицателен: связи O–H···O удерживают воду жидкой до 100 °C; а H₂S кипит при −60 °C.
Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):
История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.