Лекция на тему: "Химическая связь и взаимодействия между молекулами. Взаимодействия между частицами веществ в различных физических состояниях"

Тема 2. Химическая связь и взаимодействия между молекулами.

Взаимодействия между частицами веществ в различных физических состояниях

Введение

В предыдущей главе было рассмотрено электронное строение атомов и периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Следующим шагом в понимании строения вещества служит выявление взаимодействия между атомами. В данной главе мы выясним такое понятие как химическая связь.

2.1. Химическая связь. Определение и характеристики химической связи

При взаимодействии атомов между ними может возникать химическая связь.

Химическая связь - это взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами.

Причиной возникновения химической связи являются электромагнитные силы.

Различают следующие виды химической связи: ковалентная, ионная, металлическая. В «чистом» виде перечисленные типы связи проявляются редко. В большинстве соединений имеет место наложение разных типов связей.

К характеристикам связи относят энергию, длину и направленность связи.

Энергия связи – количество энергии, выделяемой при образовании химической связи (Е_св).

Длина связи – расстояние между ядрами в соединении (l_св).

Направленность связи – характеризуется углом между воображаемыми линиями, проходящими через ядра химически связанных атомов.

2.1.1. Ковалентная связь

В методе ВС предполагается, что химическая связь образуется двумя неспаренными электронами с антипараллельными спинами. При этом происходит обобществление электронов, т.е. образуется электронная пара, принадлежащая двум атомам.

Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении атомов полная энергия системы понижается. Рассмотрим простейшую из молекулярных систем – образование молекулы водорода.

П
ри сближении двух атомов на некотором расстоянии начинается взаимодействие электрона первого атома () с ядром второго, а электрона второго атома – с ядром первого.

При сближении меньше некоторого расстояния (r_о) начинает играть роль отталкивания двух ядер и энергия системы повышается.

Ковалентная связь осуществляется за счет электронной пары, принадлежащей обоим атомам. Различают обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.

1. Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:

®

2. Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь;

Два атома могут обобществлять несколько пар электронов. В этом случае говорят о кратных связях:

Если электронная плотность расположена симметрично между атомами, ковалентная связь называется неполярной.

Если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной.

Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов.

Пространственное строение молекул

Ковалентная связь направленная, т.е. молекулы имеют строго определенное геометрическое строение.

По симметрии возможны разные типы перекрывания:

1.  – связь, здесь область перекрывания находится на линии, соединяющей ядра атомов

2. – связь, здесь двукратное перекрывание электронных атомов по обе стороны от линии, соединяющей центры атомов

Таким образом, геометрия молекулы определяется взаимным расположением в пространстве орбиталей атома, образующих химическую связь.

Гибридизация орбиталей

Гибридизация орбиталей - это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

sp³- Гибридизация. Одна s- орбиталь и три p- орбитали превращаются в четыре одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 109°28'.

Молекулы, в которых осуществляется sp³- гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию (CH₄, NH₃).

sp²- Гибридизация. Одна s- орбиталь и две p- орбитали превращаются в три одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 120°.

Три sp²- орбитали могут образовывать три - связи (BF₃, AlCl₃). Еще одна связь (- связь) может образоваться, если на p- орбитали, не участвующей в гибридизации, находится электрон (этилен C₂H₄).

Молекулы, в которых осуществляется sp²- гибридизация, имеют плоскую геометрию.

sp- Гибридизация. Одна s- орбиталь и одна p- орбиталь превращаются в две одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 180°.

Две sp- орбитали могут образовывать две - связи (BeH₂, ZnCl₂). Еще две - связи могут образоваться, если на двух p- орбиталях, не участвующих в гибридизации, находятся электроны (ацетилен C₂H₂).

Молекулы, в которых осуществляется sp- гибридизация, имеют линейную геометрию.

2.1.2. Ионная связь

Ионы - это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов.

(фторид натрия состоит из ионов натрия Na⁺ и фторид-ионов F^-)

Если разность электроотрицательностей атомов велика, то электронная пара, осуществляющая связь, переходит к одному из атомов, и оба атома превращаются в ионы.

Химическая связь между ионами, осуществляемая за счет электростатического притяжения, называется ионной связью.

2.1.3. Водородная связь

Водородная связь - зто связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Водородная связь имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер.

Водородная связь изображена точками

Наличие водородных связей объясняет высокие температуры кипения воды, спиртов, карбоновых кислот.

2.1.4. Металлическая связь

Валентные электроны металлов достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. Поэтому металл содержит ряд положительных ионов, расположенных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, свободно перемещающихся по всему кристаллу. Электроны в металле осуществляют связь между всеми атомами металла.

2.2. Физические состояния веществ

В зависимости от условий окружающей среды и в первую очередь от температуры и давления химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях. Эти агрегатные состояния отличаются друг от друга величиной и природой сил, действующих между частицами, а также характером движения самих частиц. Различают твердое, жидкое, газообразное и плазменное состояние веществ.

Твердые вещества

В твердом агрегатном состоянии вещества средние расстояния между образующими его микрочастицами равны размеру частиц, а энергия взаимодействия значительно превышает их среднюю кинетическую энергию.

Основным видом движения микрочастиц является их тепловое колебательное движение, поэтому вероятность пребывания частиц вблизи фиксированных положений максимальна.

Это объясняет наличие у твердых тел собственной формы, отсутствие текучести, незначительную сжимаемость и механическую прочность. Твердые вещества могут быть в аморфном и кристаллическом состояниях.

Аморфное состояние

Вещество в таком состоянии изотропно (т.е. его свойства не зависят от направления), плавится не при определенной фиксированной температуре, а в некотором температурном интервале.

Твердое аморфное состояние вещества может рассматриваться как переохлажденная жидкость. Типичными примерами аморфных тел могут служить стекла, поэтому аморфное состояние называют также стеклообразным.

Кристаллическое состояние

Для кристаллического состояния характерно строго определенное расположение частиц (атомов, ионов, молекул) во всем объеме кристалла.

Это обуславливает анизотропию кристаллического вещества, или различие физических свойств (теплопроводность, прочность, коэффициент преломления света и др.) кристалла в разных направлениях.

Располагаясь в кристалле строго определенным образом, частицы образуют кристаллическую решетку.

В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, и характера связи между ними различают четыре основных типа структур кристаллических веществ, или кристаллических решеток, – атомную, ионную, металлическую и молекулярную (рис.2.1 ).

+

+

+

+

+

–

+

–

+ –

– +

+ –

– +

в)

б)

а)

г)

+

+

+

+

–

+

–

+

+ –

– +

+ –

– +

+

+

+

+

+

–

+

–

+ –

– +

+ –

– +

Рис.2.1. Основные типы структур кристаллических решеток:

а – атомная; б – ионная; в – металлическая; г – молекулярная

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одинаковых или различных элементов, соединенные между собой ковалентными связями. Примерами таких веществ являются алмаз и кварц.

Ионные кристаллические решетки построены из положительно и отрицательно заряженных ионов, между которыми действуют электростатические (кулоновские) силы притяжения. Ионы могут быть простыми, например в кристалле NaCl, и сложными, например в кристалле (NН₄)₂SO₄.

Металлическая кристаллическая решетка состоит из катионов металла, между которыми относительно свободно перемещаются валентные электроны. Отрицательный заряд таких электронов, иногда называемых электронным газом, компенсирует положительные заряды катионов металла и удерживает их в узлах кристаллической решетки.

В узлах молекулярной кристаллической решетки расположены молекулы, связанные между собой слабыми межмолекулярными связями. Например NH₃, H₂O.

Жидкое состояние вещества

Молекулы в жидкости находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах, и удерживаются относительно друг друга силами межмолекулярного взаимодействия. Доля свободного объема в жидкости очень невелика, поэтому жидкости обладают незначительной сжимаемостью.

Молекулы в жидкости свободно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкости обладают текучестью и способностью принимать форму той части сосуда, которую они занимают, либо форму шара в невесомости.

Повышенное тепловое движение частиц в жидкостях и низкая вязкость их приводят, в среднем, к неупорядоченному размещению частиц. В связи с этим жидкости обладают изотропностью, т.е. идентичностью свойств в любой ее точке, тождественностью свойств по любому из выбранных направлений.

Жидкие кристаллы. Известно много веществ, которые в жидком состоянии обладают анизотропностью, т.е. зависимостью свойств от направления. Такие вещества называют жидкими кристаллами.

Газообразное состояние вещества

В газообразном состоянии вещество заполняет весь объем и принимает форму сосуда, обладает большой сжимаемостью и образует однородные смеси. Эти свойства газов обусловлены тем, что их отдельные молекулы находятся на сравнительно далеком расстоянии друг от друга, поэтому не оказывают значительного взаимного влияния.

Кинетическая энергия молекул в этом состоянии максимальна, а энергия их взаимодействия минимальна.

Главным видом движения молекул в газах является поступательное движение. При этом они испытывают огромное число соударений: для одного моля газа более чем 10²⁰ соударений в секунду при комнатной температуре. Молекулы в газах движутся хаотически. Они сохраняют свою химическую индивидуальность, поэтому многие физико-химические свойства таких систем могут быть получены пор правилу аддитивности: суммированием характеристик образующих их молекул. Так, давление р, объем V и число молей n идеального газа связаны между собой уравнением Менделеева–Клапейрона

рV= nRT

где R–молярная газовая постоянная; T– термодинамическая температура.

Плазменное состояние вещества

При нагревании разряженных газообразных систем до высоких температур, превышающих десятки тысяч градусов, происходит ионизация молекул, и газ переходит в специфическое состояние с электронно-ионной проводимостью, называемое плазменным состоянием. Ионы, появившиеся в низкотемпературной плазме в результате отщепления электронов способны к дальнейшим химическим реакциям, поэтому в плазмах можно обнаружить такие экзотические с точки зрения химии частицы, как ионы и т.п.

Кинетическая и потенциальная энергия частиц в плазменном состоянии превышает аналогичные параметры газообразных молекул, но наиболее существенные различия между плазмой и газами возникают при наложении электрического и магнитного полей большей напряженности. При этом движение частиц в плазме становится направленным, и придавая ему винтообразную форму, можно до известной степени управлять плазмой.

2.3. Химические системы

Системой называется совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды. Все что находится вне системы, называется внешней средой.

Различают гомогенные и гетерогенные системы.

Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные системы – из двух или более фаз.

Фаза – это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам, и отделенная от других фаз системы поверхностью раздела.

Если в состав системы входят вещества или частицы, способные к химическому взаимодействию, то эти системы являются химическими системами. Химическая система характеризуется определенными параметрами и существует при определенных условиях.

К параметрам системы относятся температура, давление, объем, масса и концентрация.

2.4. Комплиментарность

Комплиментарность — в общем смысле отношение соответствия каких-либо объектов чему-либо. ( Комплиментарность в литературе — соответствие литературных произведений одной теме. Под комплиментарностью в этнологии понимается ощущение взаимной симпатии или антипатии этносов, поэтому комплиментарность бывает со знаком «плюс» (положительная комплиментарность) и со знаком «минус» (отрицательная комплиментарность).

Комплиментарность в химии, пространственное соответствие структур двух молекул (разных или одинаковых), благодаря которому возможно образование между ними водородных связей и осуществление межмолекулярных взаимодействий.

Комплиментарность (биохимия) - взаимное соответствие в химическом строении двух макромолекул, обеспечивающее их взаимодействие – спаривание двух нитей ДНК, соединение фермента с субстрактом, антигена с антителом.

Комплиментарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку, рука к перчатке.

9