Химическая связь и агрегатные состояния вещества
Лекция № 3
1. Определение и основные типы химической связи
2. Понятие о координационных соединениях
3. Межмолекулярное взаимодействие
4. Агрегатные состояния вещества
1. Определение и основные типы химической связи. Химическая связь – это явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. Важнейшей энергетической характеристикой служит энергия химической связи, определяющая её прочность; её величина определяется работой, необходимой для разрушения связи, или выигрышем в энергии при образовании вещества из отдельных атомов. К геометрическим параметрам относятся длина связи, валентный угол. Длина связи – это расстояние между центрами ядер атомов в молекуле, когда силы притяжения уравновешены силами отталкивания и энергия системы минимальна. Валентный угол – угол между связями в молекуле.
Химическое взаимодействие едино по своей природе, поэтому деление химических связей на типы носит условный характер, но оно необходимо для выделения важнейших характерных особенностей взаимодействия в данном веществе. Химическая связь описывается тремя основными типами: ковалентной, ионной и металлической.
Ковалентная связь – это взаимодействие между двумя атомами, несильно отличающихся по ЭО (например, между атомами двух неметаллов), при котором атомы обобществляют свои валентные электроны путем образования общих электронных пар. Одна общая электронная пара соответствует одной ковалентной связи. При взаимодействии атомов, одинаковых по ЭО, образуется неполярная ковалентная связь, а разных – полярная.
Образование ковалентной связи может осуществляться двумя способами: а) по обменному механизму (каждый из атомов предоставляет по одному электрону); б) по донорно-акцепторному (донор предоставляет электронную пару, а акцептор – пустую валентную орбиталь).
Главными отличительными особенностями ковалентной связи от других типов является её направленность (в сторону максимального перекрывания электронных облаков), поляризуемость и насыщаемость.
Кратные связи – ковалентные связи, осуществляемые более чем одной парой электронов. При перекрывании валентные орбитали могут подвергаться гибридизации – смешению орбиталей, сопровождающемуся изменением формы электронного облака.
Ионная связь – это взаимодействие между атомом металла и неметалла, в результате которого атомы «стремятся» приобрести электронную конфигурацию благородного газа. Металл отдает свои валентные электроны неметаллу, в результате чего появляются катион и анион. Образовавшиеся противоионы электростатически притягиваются друг к другу, что и обуславливает химическую (ионную) связь между ними.
Следует отметить, что 100% -ной ионной вязи в природе не существует, можно лишь говорить о преобладании ионной компоненты в некоторых веществах, состоящих из частиц, которые резко отличаются по ЭО. Ионная связь ненасыщенная и ненаправленная.
Металлическая связь реализуется в жидких и твердых металлах. Атомы металлов характеризуются значительным дефицитом электронов на внешнем уровне. Перекрывание внешних валентных орбиталей при взаимодействии атомов металлов друг с другом приводит к появлению особого типа химической связи – металлической, которая представляет собой случай предельной делокализации химической связи. Электроны металлической связи не принадлежат какому-либо одному атому или группе атомов, они относительно свободно перемещаются во всем объеме металла. Металлическая связь сходна с ковалентной тем, что основана на обобществлении электронов. Особые свойства металлической связи (ненаправленность, ненасыщенность, многоэлектронность и многоцентровость) определяет ряд специфических физических свойств металлов и их сплавов: высокие значения тепло- и электропроводности, большую пластичность и т. д.
2. Понятие о комплексных соединениях. Это устойчивые химические соединения сложного состава, в которых обязательно имеется хотя бы одна связь, возникшая по донорно-акцепторному механизму.
Комплексные соединения состоят из комплексообразователя и лигандов, образующих внутреннюю сферу, и внешней сферы, состоящей из ионов, которые компенсируют заряд внутренней сферы.
Комплексообразователь (центральный атом, ядро комплекса) – это атом или ион, который является акцептором электронных пар, предоставляя свободные АО, и занимает центральное положение в комплексном соединении. Чаще всего роль комплексообразователей играют ионы d-металлов. Если в комплексном соединении один комплексообразователь, то оно называется моноядерным, если несколько – полиядерным.
Лиганды – молекулы или ионы, которые являются донорами электронных пар и непосредственно связаны с комплексообразователем. В качестве лигандов выступают молекулы воды, аммиака, галогенид-ионы и многие другие. Если лиганд связан с комплексообразователем одной связью его называют монодентатным, если несколькими – полидентатным.
Число связей, которые образует комплексообразователь с лигандами, называется координационным числом.
Внутренняя сфера (комплекс, комплексный ион) – совокупность центрального атома и лигандов. В химических формулах заключается в квадратные скобки.
В зависимости от заряда комплексного иона различают катионные, анионные и нейтральные комплексные соединения. Например, K3[Fe(CN)6], [Ag(NH3)2]Cl, [Pt (NH3)3Cl2].
Внешняя сфера – положительно или отрицательно заряженные ионы, нейтрализующие заряд комплексного иона и связанные с ним ионной связью.
3. Межмолекулярные взаимодействия и агрегатные состояния вещества. Внутри молекул – прочные ковалентные связи. Но и между молекулами есть притяжение, только более слабое. Если бы его не было, то все молекулярные вещества при всех температурах были бы газами. Возможность существования веществ в твердом и жидком состоянии свидетельствует о том, что между молекулами этих веществ действуют силы притяжения, которые называют межмолекулярными связями или взаимодействиями (силами).
В зависимости от природы частиц осуществляются различные виды взаимодействия. Рассмотрим их в порядке убывания энергии взаимодействия.
Водородная связь. Водородная связь возникает за счет притяжения положительно поляризованного атома водорода одной молекулы (части молекулы) с электроотрицательным атомом другой молекулы (другой части молекулы). В соответствии с этим различают межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи. Водородные связи существуют в HF, NH3, H2O и во многих других веществах.
Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи. Однако ее достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак. Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты.
Ион-дипольное взаимодействие. Осуществляется в растворах между полярными молекулами растворителя и ионами растворенного вещества, играют важную роль во многих биологических системах.
Силы Ван-дер-Ваальса. Различают три типа этих сил. Ориентационное (диполь-дипольное) взаимодействие: полярные молекулы, то есть диполи ориентируются друг к другу противоположно заряженными концами и притягиваются (но не так сильно, как при водородной связи). Индукционное взаимодействие – притяжение дипольной молекулы к наведенному ею (индуцированному) диполю в молекуле, которая сама по себе неполярна. Дисперсионное взаимодействие – притяжение мгновенных диполей, которые образуются в любом атоме, ионе, молекуле из-за флуктуаций электронной плотности. Дисперсионные силы – общие для всех веществ (молекулярных и немолекулярных, с полярной и неполярной связью), но в чистом виде они наблюдаются между неполярными молекулами.
Агрега́тное состоя́ние – состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами – способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Ближний порядок – это упорядоченность во взаимном расположении соседних атомов или молекул в веществе, которая повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами. Дальний порядок – это упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая повторяется на неограниченно больших расстояниях.
В современной физике выделяют следующие агрегатные состояния: твёрдое тело, жидкость, газ, плазма (полностью или частично ионизированный газ).
Твёрдое и жидкое состояния вещества относятся к конденсированным состояниям – атомы или молекулы вещества в них находятся настолько близко друг к другу, что неспособны свободно двигаться. Для твердых тел характерны собственная форма, механическая прочность, постоянный объем. В зависимости от степени упорядоченности частиц твердые вещества разделяются на кристаллические и аморфные. Твердая фаза кристаллических веществ состоит из частиц (атомов, молекул, ионов), которые образуют однородную структуру, характеризующуюся строгой повторяемостью одной и той же элементарной ячейки во всех направлениях, то есть дальним порядком.
Элементарная ячейка кристалла – часть кристаллической решетки, параллельные переносы которой в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку. Кристаллические решетки классифицируют по типу частиц их образующих на ионные, атомные и молекулярные.
К особенностям твердого вещества относятся: 1) анизотропия – неодинаковость всех или нескольких физических и химических свойств вещества по разным направлениям, то есть зависимость свойств от направления; 2) полиморфизм – явление существования вещества в зависимости от условий (температуры и давления) в разных кристаллических структурах; 3) изоморфизм: если вещества имеют сходные формулу и тип кристаллической решетки, то они могут образовывать твердые растворы и называются изоморфными.
В аморфном состоянии наблюдается только ближний порядок расположения частиц. Аморфные вещества – изотропны, то есть свойства их не зависят от направления.
Для жидкого состояния характерны текучесть и изотропность. Жидкости имеют промежуточную природу между твердыми веществами и газами. В них наблюдается ближний порядок расположения молекул. Для жидкого состояния характерны броуновское движение, диффузия и летучесть частиц, вязкость (сопротивление текучести), поверхностное натяжение. Состояние вещества, характеризующееся наличием одновременно свойств и жидкости (текучесть) и кристалла (анизатропность), называется жидкокристаллическим состоянием.
Газ (от греч. хаос) – агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами, (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью.
Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). Газообразное состояние – самое распространённое состояние вещества Вселенной.