Силы межмолекулярного взаимодействия. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие. Водородная связь. Энергия межмолекулярного взаимодействия.

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами. Межмолекулярное взаимодействие - взаимодействие молекул между собой, не приводящее к разрыву или образованию новых химических связей. В их основе, как и в основе химической связи, лежат электрические взаимодействия.

Ориентационное взаимодействие. Полярные молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, например HCl, H2O, NH3, ориентируются таким образом, чтобы рядом находились концы с противоположными зарядами. Между ними возникает притяжение. Притяжение диполь-диполь может осуществляться только тогда, когда энергия притяжения превышает тепловую энергию молекул; обычно это имеет место в твердых и жидких веществах. Диполь-дипольное взаимодействие проявляется в полярных жидкостях (вода, фтороводород).

Индукционное взаимодействие. Если рядом с полярная молекула окажется полярная рядом с неполярными, она начнет влиять на них. Поляризация нейтральной частицы под действием внешнего поля (наведение диполя) происходит благодаря наличию у молекул свойства поляризуемости γ. Постоянный диполь может индуцировать дипольное распределение зарядов в неполярной молекуле. Под действием заряженных концов полярной молекулы электронные облака неполярных молекул смещаются в сторону положительного заряда и подальше от отрицательного. Неполярная молекула становится полярной, и молекулы начинают притягиваться друг к другу, только намного слабее, чем две полярные молекулы. Притяжение постоянного и наведенного диполей обычно очень слабое, поскольку поляризуемость молекул большинства веществ невелика. Оно действует только на очень малых расстояниях между диполями. Этот вид взаимодействия проявляется главным образом в растворах полярных соединений в неполярных растворителях.

Дисперсионное взаимодействие. Между неполярными молекулами также может возникнуть притяжение. Электроны, которые находятся в постоянном движении, на миг могут оказаться окажется сосредоточенными с одной стороны молекулы, то есть неполярная частица станет полярной. Это вызывает перераспределение зарядов в соседних молекулах, и между ними устанавливаются кратковременные связи. Лондоновские силы притяжения между неполярными частицами (атомами, молекулами) являются весьма короткодействующими. Значения энергии такого притяжения зависят размеров частиц и числа электронов в наведенных диполях. Эти связи очень слабые - самые слабые из всех межмолекулярных взаимодействий. Однако они являются наиболее универсальными, так как возникают между любыми молекулами.

Водородная связь (Н-связь) – особый тип взаимодействия между реакционно-способными группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому взаимодействию. Водородная связь – глобальное явление, охватывающее всю химию. Особенности водородной связи. Отличительная черта водородной связи – сравнительно низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. В образовании Н-связи определяющую роль играет электроотрицательность участвующих в связи атомов – способность оттягивать на себя электроны химической связи от атома – партнера, участвующего в этой связи. В результате на атоме А с повышенной электроотрицательностью возникает частичный отрицательный заряд d-, а на атоме-партнере – положительный d+. Возникший частичный положительный заряд на атоме водорода позволяет ему притягивать другую молекулу, также содержащую электроотрицательный элемент, таким образом, основную долю в образование Н-связи вносят электростатические взаимодействия.

Энергию межмолекулярного взаимодействия можно рассматривать как сумму двух составляющих - энергии притяжения и энергии отталкивания. Часто энергию межмолекулярного взаимодействия приближенно описывают формулой Леннарда-Джонса.

 

Комплексные соединения. Образование комплексов. Комплексообразователь, лиганды, координационное число, заряд комплекса. Внутренняя и внешняя сфера комплексного соединения.

Комплексные соединения ( лат. complexus — сочетание, обхват), иногда называемые координационными — соединения, или ионы, которые образуются в результате присоединения к данному иону (или атому), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами.

Лиганд (от лат. ligo — связываю) — атом, ион или молекула, непосредственно связанная с одним или несколькими центральными (комплексообразующими) атомами в комплексном соединении. Чаще всего такое связывание происходит с образованием так называемой «координационной» донорно-акцепторной связи.

Таким образом, комплексным соединением называют сложное соединение, образующееся при взаимодействии более простых неизменных частиц (атомов, ионов или молекул), каждая из которых способна существовать независимо в обычных условиях.

Комплексные ионы образуют с ионами противоположного заряда комплексные соединения. Так, комплексный ион [Fe(CN)6]3- образует с ионами K+ комплексное соединение K3[Fe(CN)6], которое выделяется из водного раствора при его выпаривании в виде кристаллов красного цвета, хорошо растворимых в воде.

Координационное число — общее число нейтральных молекул и ионов, связанных с центральным ионом в комплексе; например, для комплексного соединения K2[PtCl6], Координационное число иона платины равно шести; для соединения [Cu(NH3)4]SO4 координационное число ионов меди равно четырем.

 

19. Конденсированное состояние вещества. Агрегатные и фазовые состояния, их отличительные признаки. Аморфное и кристаллическое состояние твердого тела. Кристаллическая решетка и элемен­тарная ячейка кристалла. Реальные кристаллы.

Любое вещество может находиться в одном из четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном или в виде плазмы. При низких температурах и(или) высоких давлениях все вещества находятся в твердом состоянии. Твердое и жидкое состояние вещества называют конденсированным состоянием.

Агрегатное состояние — термодинамическое состояние вещества, сильно отличающееся по своим физическим свойствам от других агрегатных состояний этого же вещества. Термин «агрегатное состояние» довольно размытый и часто слишком огрубляет свойства вещества. Так, почти все вещества в твёрдом агрегатном состоянии могут обладать, в зависимости от давления и температуры, несколькими различными термодинамическими фазами. Отличие понятия агрегатного состояния вещества от термодинамической фазы заключается в выделенном выше слове «сильно». Как правило, требуется, чтобы агрегатные состояния «выглядели» сильно по-разному. Термодинамические же фазы могут отличаться «незаметными глазу» величинами, такими как теплоёмкость, структура кристаллической решётки и т. д. Однако при аккуратном рассуждении рекомендуется использовать именно термин «термодинамические фазы».

твёрдое тело (аморфное либо кристаллическое), держит как форму, так и объём.

жидкость, характеризуется более высокой плотностью и промежуточными температурами. Жидкость держит объём, но не держит форму.

газообразное состояние, характеризуется низкой плотностью и достаточно высокой температурой. Газ не держит ни форму, ни объём.

плазма (часто называемое четвёртое состояние вещества), представляет собой частично или полностью ионизованный газ и возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч кельвинов и выше. В целом её свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика.

Термодинамическая фаза — термодинамически однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру.

Твердое тело характеризуется тем, что в нем возникают значительные упругие силы не только при изменении объема (сжатие и расширение), но и при изменении формы (например, сдвиг). Твердые тела могут существовать в двух существенно различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением, и, соответственно, свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел. Кристаллическое состояние характеризуется наличием четко выделяемых естественных граней, образующих между собой определенные углы. Примерами веществ в кристаллическом состоянии могут служить соль, сахарный песок, сода и др. Если весь кусок вещества представляет собой один кристалл, то такое тело называется монокристаллом или просто кристаллом. Наличие естественных граней у монокристаллов ведет к четко выраженному различию в физических свойствах тела по различным направлениям. Это может относиться к механической прочности, тепло- и электропроводности, упругости и т.д. Но не всегда все свойства зависят от направления - кубический кристалл меди обладает одинаковой электропроводностью по всем направлениям, но разной упругостью. Кристаллы - твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.

Второй вид твердого состояния твердых тел - аморфное состояние. В этом состоянии невозможно обнаружить даже малые области, в которых наблюдалась бы зависимость физических свойств от направления. Некоторые вещества могут находиться в любом из этих двух состояний. Аморфные вещества не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней, как правило — изотропны, т. е. не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определенной точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла, естественные и искусственные смолы, клеи и др.

Кристаллическая решётка, присущее веществу в кристаллическом состоянии правильное расположение атомов (ионов, молекул), характеризующееся периодической повторяемостью в трёх измерениях. Ввиду такой периодичности для описания К. р. достаточно знать размещение атомов в элементарной ячейке, повторением которой путём параллельных дискретных переносов (трансляций) образуется вся структура кристалла. В соответствии с симметрией кристалла элементарная ячейка имеет форму косоугольного или прямоугольного параллелепипеда, квадратной или шестиугольной призмы, куба. Размеры рёбер элементарной ячейки а, b, с называются периодами идентичности. Существует огромное количество кристаллических структур. Их объединяет главное свойство кристаллического состояния вещества — закономерное положение атомов в кристаллической решётке. Одно и то же вещество может кристаллизоваться в разных кристаллических решётках и обладать весьма различными свойствами (классический пример графит — алмаз).

В отличие от идеального кристалла, структура, которого принимается непрерывной, а состав неизменным во всем объеме, строение и состав реальных кристаллов изменяются как во времени так и в пространстве. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом.

 

20.Кристаллы. Классификация кристаллов по типу связей между частицами. Типичные свой­ства ионных, ковалентных, молекулярных и металлических кристаллов.

См. вопрос № 19.

Классификация кристаллов по типам связей:

- Ионный. В ионных кристаллах (NaCI, KCl и др.) основные силы, действующие между ионами, — силы электростатического притяжения. Распределение электронного заряда вблизи каждого иона близко к сферическому и слегка нарушается в области соприкосновения соседних ионов. Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. Электростатические силы ненаправленные: каждый ион может удержать вокруг себя столько ионов противоположного знака, сколько помещается. Но при этом силы притяжения и отталкивания должны быть уравновешены и должна сохраняться общая электронейтральность кристалла. (Отражение и поглощение света в инфракрасной области; малая электропроводность при низких температурах; хорошая ионная проводимость при высоких температурах).

- Атомный (с ковалентной связью). В кристаллах с ковалентной связью валентные электроны обобществлены соседними атомами. В ковалентных кристаллах (их еще называют атомными) в узлах кристаллической решетки находятся атомы, одинаковые или разные, которые связаны ковалентными связями. Эти связи прочные и направлены под определенными углами. Типичным примером является алмаз; в его кристалле каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, находящимися в вершинах тетраэдра. Ковалентные кристаллы образуют бор, кремний, германий, мышьяк (Высокая твёрдость (у чистых образцов), слабая проводимость при низких температурах).

- Металлический. Металлические кристаллы образуют чистые металлы и их сплавы. Такие кристаллы можно увидеть на изломе металлов, а также на поверхности оцинкованной жести. Кристаллическая решетка металлов образована катионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»). Такое строение обусловливает электропроводность, ковкость, высокую отражательную способность (блеск) кристаллов. Структура металлических кристаллов образуется в результате разной упаковки атомов-шаров. (Высокая электропроводность).

- Молекулярный. Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. В результате такие кристаллы имеют намного меньшие температуры плавления и кипения, твердость их низка. Так, кристаллы благородных газов (они построены из изолированных атомов) плавятся уже при очень низких температурах. Из неорганических соединений молекулярные кристаллы образуют многие неметаллы (благородные газы, водород, азот, белый фосфор, кислород, сера, галогены), соединения, молекулы которых образованы только ковалентными связями (H2O, HCl, NH3, CO2 и др.). Этот тип кристаллов характерен также почти для всех органических соединений. (Низкие точки плавления и кипения, сильная сжимаемость).