Вопросы для проверки знаний

1. Что подразумевается под молекулой?

2. В чем различие и сходство между ковалентной и ионной связью?

3. В чем разница между  и  ковалентными связями?

4. Что, на ваш взгляд, явилось причиной введения представления о гибридизации атомных орбиталей?

5. Какой физический смысл вкладывается в понятия «направленность» и «насыщаемость» ковалентных связей?

6. В чем различие и сходство между ионной и металлической связями?

7. Согласны ли вы с утверждением, что «химическая связь обусловлена электрическими силами притяжения и отталкивания»?

8. В чем сильные и слабые стороны методов валентной связи и молекулярных орбиталей?

9. Что подразумевается под структурной и молекулярной формулами?

10. В чем различие и сходство между ковалентной полярной и неполярной связями?

11. Можно ли назвать ионное соединение LiF молекулой?

12. Какой механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным?

13. Какая связь называется металлической?

Упражнения

1. Химическая связь в молекуле изменяет свою длину в результате колебательного движения атомов. Согласуется ли этот факт с тем, что в справочниках дается единственное значение длины химической связи?

2. Можно ли утверждать, что кристалл хлорида натрия состоит из молекул NaCl?

3. С позиций метода ВС О₂не имеет неспаренных электронов. Докажите, что с позиций метода МО О₂имеет два неспаренных электрона.

4. Постройте энергетические диаграммы молекул N₂,F₂и определите порядок связей.

5. Докажите, существует ли ион с позиций: а) метода ВС; б) метода МО?

Тема 3 твердые вещества, жидкости и газы

Химия изучает превращения веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

В отличие от такой микросистемы, как индивидуальный атом, молекула или ион, макросистема представляет собой твердое, жидкое или газообразное тело, состоящее из взаимосвязанных атомов, молекул или ионов. Например, 18 г воды содержат 6.0210²³ молекул Н₂О.

Свойства макросистемы не сводятся к сумме свойств атомов, молекул или ионов, входящих в её состав. Нельзя сказать, что изолированная молекула Н₂О есть частица твердая, жидкая или газообразная. У нее нет этих свойств. Она не обладает теплопроводностью, теплоемкостью – свойствами, присущими множеству молекул кристалла льда, капле жидкости или пузырьку пара. Но кристалл льда, капля жидкости или пузырек пара «наследуют» химические свойства, проявляемые молекулой воды.

Все химические превращения – это превращения атомов, молекул или ионов, из которых тела состоят.

Атомы, молекулы, ионы обладают способностью взаимодействовать между собой. Благодаря этому свойству они образуют конденсированные продукты, жидкие или твердые. Нет ни одного газа, который при понижении температуры и увеличении давления не переходил бы в конденсированное состояние. Для полноты представлений о строении вещества рассмотрим особенности строения конденсированных сред.

3.1. Модели кристаллических и аморфных веществ

В кристаллическом веществе атомы, ионы или молекулы располагаются в строгом порядке в узлах кристаллической решетки. По типу химической связи и межмолекулярного взаимодействия кристаллические решетки делятся на ковалентные (атомные), ионные, металлические и молекулярные. Мы уже приводили модели ионных и металлических кристаллических веществ. Далее представлены все возможные модели кристаллических веществ, классифицированные по типу химической связи и межмолекулярному взаимодействию.

Кристаллы

Кристаллы с ковалентными связями представляют собой структуры химически связанных атомов. Примером кристалла с ковалентными связями может служить алмаз (рис. 21). Кристаллическая решетка алмаза гранецентрированная кубическая. Кристаллы обычно имеют форму октаэдра, ромбододекаэдра, куба или тетраэдра.

а)

б)

Рис. 21. Модель структуры кристалла алмаза: а) фрагмент кристаллической решетки: центральный атом углерода окружен четырьмя равноудаленными атомами углерода, находящимися в углах тетраэдра; б) кристалл, построенный из тетраэдрических фрагментов

Кристаллы с ионными связями – это твердые тела, состоящие из химически связанных положительно и отрицательно заряженных ионов.

Их кристаллическая решетка построена так, что силы электростатического притяжения и отталкивания разноименно и одноименно заряженных ионов уравновешены.

Ионную кристаллическую решетку имеют соли, оксиды металлов, основания, комплексные соединения. Структура кристаллической решетки зависит от размеров и природы катионов и анионов. Например, на рис. 22 представлена кубическая кристаллическая решетка хлорида натрия.

 ион хлора

 ион натрия

Рис. 22. Модель ионной кристаллической решетки хлорида натрия. Пунктирные линии приведены для того, чтобы показать объемность кристалла

Молекулярные кристаллы содержат в узлах кристаллической решетки молекулы, которые удерживаются между собой силами электростатического притяжения.

Например, такую кристаллическую решетку образуют диполи молекулы воды (рис. 23). Диполь – совокупность двух равных по величине разноименных зарядов (), находящихся на некотором расстоянии (l) друг от друга. Заметим, что  указывает на долю от целого заряда, которая приходится на участок электронейтральной молекулы.

Диполи воды располагаются в кристалле льда (рис. 24) в виде прочной тетраэдрической кристаллической решетки. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадают.

р



ис. 25.

l









а)

б)



Рис. 23. Модели молекулы воды: а) атом кислорода в молекуле воды находится в sp³ гибридном состоянии; б) диполь

Рис. 24. Фрагмент кристалла льда

Дипольный момент  такой молекулы вычисляется по уравнению  = δl, где δ – величина заряда; l – расстояние между центрами тяжести положительного и отрицательного зарядов молекулы (рис.23 б).

Один из способов объяснения природы металлической связи основывается на представлении об электронном газе.

Кристаллы с металлическими связями представляют собой упорядоченные структуры положительно заряженных ионов, удерживающихся в кристаллической решетке подвижными электронами («электронным газом») (рис.17). При ударе металл не раскалывается подобно льду, алмазу или кристаллу соли, а лишь изменяет форму. Электроны благодаря своей подвижности успевают в момент удара переместиться и удержать ионы в новом положении. Именно поэтому металлы ковки и пластичны, легко изгибаются без разрушения. Кристаллическая решетка металла становится хрупкой только при очень низкой температуре, например при температуре жидкого азота ( 210 ⁰С). Связано это с появлением некоторой доли ковалентно связанных атомов металла (рис. 25).

Рис. 25. Модель кристаллической решетки металла с некоторой долей ковалентных связей. Точками обозначены электроны

Модели возможных типов кристаллических решеток представлены на рис. 26.

Рис. 26. Модели кристаллических решеток (показана одна плоскость объемного кристалла): а) ковалентная или атомная;б) ионная;в) молекулярная;г) металлическая