Както знаете, химията изучава структурата и свойствата на веществата, както и техните взаимни трансформации. Важно място в характеристиката на химичните съединения заема въпросът от какъв вид частици се състоят. Това могат да бъдат атоми, йони или молекули. В твърдите тела те влизат във възлите на кристалните решетки. Молекулната структура има относително малък брой съединения в твърдо, течно и газообразно състояние.
В нашата статия ще дадем примери за вещества, които се характеризират с молекулярни кристални решетки, а също така ще разгледаме няколко вида междумолекулни взаимодействия, характерни за твърди вещества, течности и газове.
Защо трябва да знаете структурата на химичните съединения
Във всеки клон на човешкото познание може да се отдели група от фундаментални закони, на които се основава по-нататъшното развитие на науката. в химията- това е теорията на M. V. Ломоносов и Дж. Далтън, обясняващи атомната и молекулярната структура на материята. Както са установили учените, познавайки вътрешната структура, е възможно да се предскажат както физичните, така и химичните свойства на съединението. Цялото огромно количество органични вещества, изкуствено синтезирани от човека (пластмаси, лекарства, пестициди и т.н.) имат предварително определени характеристики и свойства, които са най-ценни за неговите промишлени и битови нужди.
Познанията за особеностите на структурата и свойствата на съединенията са необходими при провеждане на контролни секции, тестове и изпити в курса по химия. Например, в предложения списък с вещества намерете правилните отговори: кое вещество има молекулярна структура?
- Цинк.
- Манезиев оксид.
- Диамант.
- Нафталин.
Верният отговор е: цинкът има молекулярна структура, както и нафталина.
Сили на междумолекулно взаимодействие
Експериментално е установено, че молекулярната структура е характерна за вещества с ниски точки на топене и ниска твърдост. Как може да се обясни крехкостта на кристалните решетки на тези съединения? Както се оказа, всичко зависи от силата на съвместното въздействие на частиците, разположени в техните възли. Той има електрическа природа и се нарича междумолекулно взаимодействие или сили на Ван дер Ваалс, които се основават на влиянието на противоположно заредени молекули - диполи - една върху друга. Оказа се, че има няколко механизма за тяхното формиране,в зависимост от естеството на самото вещество.
Киселини като съединения с молекулен състав
Разтворите на повечето киселини, както органични, така и неорганични, съдържат полярни частици, които са ориентирани една спрямо друга с противоположно заредени полюси. Например, в разтвор на солна киселина HCI има диполи, между които възникват ориентационни взаимодействия. С повишаване на температурата, молекулите на солна, бромоводородна (HBr) и други халоген-съдържащи киселини намаляват ефекта на ориентация, тъй като топлинното движение на частиците пречи на тяхното взаимно привличане. В допълнение към горните вещества, захароза, нафталин, етанол и други органични съединения имат молекулярна структура.
Как се произвеждат индуцирани заредени частици
По-рано разгледахме един от механизмите на действие на силите на Ван дер Ваалс, наречен ориентационно взаимодействие. В допълнение към органичните вещества и халоген-съдържащите киселини, водородният оксид, водата, има молекулярна структура. В вещества, състоящи се от неполярни, но склонни към образуване на диполи, молекули, като въглероден диоксид CO2, може да се наблюдава появата на индуцирани заредени частици - диполи. Най-важното им свойство е способността да се привличат един друг поради появата на електростатични сили на привличане.
Молекулна структура на газа
В предишната подзаглавие споменахме съединението въглероден диоксид. Всеки негов атом създава около себе си електрическо поле, което индуцираполяризация на атом от близката молекула на въглероден диоксид. Той се променя в дипол, който от своя страна става способен да поляризира други CO2 частици. В резултат на това молекулите се привличат една към друга. Индуктивното взаимодействие може да се наблюдава и в вещества, състоящи се от полярни частици, но в този случай то е много по-слабо от ориентационните сили на Ван дер Ваалс.
Взаимодействие на дисперсия
Както самите атоми, така и частиците, които ги изграждат (ядро, електрони) са способни на непрекъснато въртеливо и осцилаторно движение. Това води до появата на диполи. Според изследванията на квантовата механика възникването на моментни двойно заредени частици се случва както в твърди тела, така и в течности синхронно, така че краищата на молекулите, разположени наблизо, се оказват с противоположни полюси. Това води до тяхното електростатично привличане, наречено дисперсионно взаимодействие. Той е характерен за всички вещества, с изключение на тези, които са в газообразно състояние и чиито молекули са едноатомни. Въпреки това, сили на Ван дер Ваалс могат да възникнат, например, по време на прехода на инертни газове (хелий, неон) в течна фаза при ниски температури. Така молекулярната структура на телата или течностите определя способността им да образуват различни видове междумолекулно взаимодействие: ориентационно, индуцирано или дисперсионно.
Какво е сублимация
Молекулна структура на твърдо вещество, като йодни кристали,причинява такъв интересен физически феномен като сублимация - изпаряване на I2 молекули под формата на виолетови пари. Появява се от повърхността на вещество в твърда фаза, заобикаляйки течното състояние.
Този визуално ефектен експеримент често се прави в училищните класни стаи по химия, за да се илюстрират структурните характеристики на молекулярните кристални решетки и свързаните с тях свойства на съединенията. Обикновено това са ниска твърдост, ниски точки на топене и кипене, лоша топло- и електрическа проводимост и летливост.
Практическо използване на знанията за структурата на веществата
Както видяхме, може да се установи известна корелация между вида на кристалната решетка, структурата и свойствата на съединението. Следователно, ако характеристиките на дадено вещество са известни, тогава е доста лесно да се предскажат характеристиките на неговата структура и състав на частици: атоми, молекули или йони. Получената информация може да бъде полезна и ако в задачите по химия е необходимо правилно да се подберат вещества, които имат молекулярна структура от определена група съединения, с изключение на тези, които имат атомен или йонен тип решетки.
Обобщавайки, можем да заключим следното: молекулярната структура на твърдото тяло и неговата пространствена структура от кристални решетки и подреждането на поляризирани частици в течности и газове са напълно отговорни за неговите физични и химични свойства. Теоретично, свойствата на съединенията,съдържащи диполи зависят от величината на силите на междумолекулното взаимодействие. Колкото по-висока е полярността на молекулите и по-малък е радиусът на атомите, които ги изграждат, толкова по-силни са силите на ориентация, които възникват между тях. Напротив, колкото по-големи са атомите, които изграждат молекулата, толкова по-голям е нейният диполен момент и следователно, толкова по-значими са дисперсионните сили. Така молекулярната структура на твърдото вещество влияе и върху силите на взаимодействие между неговите частици - диполи.
