Химическая связь в твердых телах. Металлическая связь. Водородная связь.

Свойства твердых веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки и типом взаимодействия между ними.Кристаллическая структура характеризуется правильным (регулярным) расположением частиц в строго определенных местах в кристалле. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В зависимости от того, какие структуры находятся в узлах, различают следующие типы кристаллических решёток.Атомная кристаллическая решётка построена из атомов, соединенных, как правило, ковалентной связью. Поэтому эти кристаллы обладают высокими твердостью, температурой плавления и низкими тепло- и электропроводностью. Например, углерод (алмаз и графит) карборунд SiC, бор. Молекулярная кристаллическая решётка образована молекулами, между которыми осуществляется межмолекулярное взаимодействие. Поскольку силы между молекулами в этих решетках относятся к типу слабых ван-дер-ваальсовых, такие вещества плавятся при довольно низких температурах. Большая часть веществ, которые при комнатной температуре находятся в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы. Например, метан СН₄, диоксид углерода СО₂ и т. Д. Ионная кристаллическая решётка состоит из положительных и отрицательных ионов, между которыми действуют электростатические силы. Поскольку они намного превышают слабые ван-дер-ваальсовы силы, то температуры плавления ионных кристаллов выше, чем атомных и молекулярных. Такие кристаллы образуются элементами с сильно различающимися электроотрицательностями (например, галогениды щелочных металлов). Кристаллы, содержащие многоатомные ионы, имеют более низкие температуры плавления; так для NaClt_пл. = 801 °C, а для NaNO₃ t_пл = 311 °C.Кристаллические решетки, образуемые металлами, называются металлическими. В узлах таких решеток находятся положительные ионы металлов, в межузлиях – валентные электроны (электронный газ).Наибольшую температуру плавления из металлов имеют d-элементы, что объясняется наличием в кристаллах этих элементов ковалентной связи, образованной неспаренными d-электронами, помимо металлической, образованнной s-электронами.

Металлическая связь — химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт перекрытия (обобществления) их валентных электронов.Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Многие металлы обладают высокой твёрдостью, например хром, молибден, тантал, вольфрам и др. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.

Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, то есть их объединение в димеры или полимеры. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак. Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. Водородные связи во многом обусловливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры). Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион-молекулярных комплексов (AHB)^±; так, для комплекса (H₂O•H•OH₂)⁺, образованного H₂O и H₃O⁺ — 132 кДж/моль в газовой фазе.

Предмет химической термодинамики. Понятие системы. Виды систем. Термодинамические параметры. Уравнения состояния на примере уравнения состояния идеального газа.

Хими́ческаятермодина́мика — раздел физической химии, изучающий процессы взаимодействия веществ методами термодинамики. Применение термодинамического подхода к химическим реакциям основано на том, что в фундаментальном уравнении Гиббса в качестве переменных можно использовать как независимые переменные — массы (количества вещества) компонентов, — если условия задачи не требуют детального рассмотрения химического равновесия, так и массы (количества вещества) составляющих веществ совместно с уравнениями связи, описывающими химические реакции, — когда требуется подробное описание химического равновесия^[1].

Основными направлениями химической термодинамики являются:

1. Классическая химическая термодинамика, изучающая термодинамическое равновесие вообще.

2. Термохимия, изучающая тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции.

3. Теория растворов, моделирующая термодинамические свойства вещества исходя из представлений о молекулярном строении и данных о межмолекулярном взаимодействии.

В химии широко используется понятие "система". Системой называют произвольную часть пространства, где содержится по крайней мере одно (или несколько) веществ. Внутри системы (между ее отдельными частями) может происходить химическое взаимодействие или перераспределение массы и энергии. Часть объема системы, во всех точках которой физические и химические свойства одинаковы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Агрегатное состояние веществ внутри одной и той же фазы одинаково (твердая фаза, жидкая фаза, газообразная фаза). Системы, включающие только одну фазу, называют гомогенными, а системы, состоящие из двух и более фаз, относят к гетерогенным. Например, смеси газов и полностью смешивающиеся между собой жидкости представляют собой однофазные (гомогенные) системы. Если же в системе находятся несколько несмешивающихся между собой жидкостей, то она будет состоять из такого же числа жидких фаз. Другие примеры многофазных (гетерогенных) систем: вода и водяной пар (две фазы); водяной пар, водный раствор соли и твердая соль (трехфазная система). Совокупность кристаллов какой-либо соли составляет одну фазу, поскольку каждый из кристаллов однороден по химическому составу и физическим свойствам и подобен любому другому кристаллу из их совокупности (хотя и может быть отделен от других кристаллов поверхностью раздела). Очевидно, наличие поверхности раздела является только одним из признаков фазы. Механическая смесь кристаллов хлорида натрия, нитрата калия и карбоната кальция будет состоять из четырех твердых фаз, а смесь безводного карбоната натрия с десятиводным кристаллогидратом Na2CO3·10 H2O представляет собой двухфазную систему, так как оба вещества не только различны по содержанию воды, но и имеют определенную кристаллическую структуру, а следовательно, отличаются и по физико-химическим свойствам. Понятие фазы неприменимо к очень малым количествам вещества и к системам с развитой поверхностью.

Параметры состояния, термодинамические параметры — физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др. Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные массе системы:объём, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, энергия Гиббса, энергия Гельмгольца (свободная энергия),

и интенсивные параметры состояния, не зависящие от массы системы: давление, температура, концентрация, магнитная индукция и др. Не все параметры состояния независимы, так что равновесное состояние системы можно однозначно определить, установив значения ограниченного числа параметров состояния.