Atomsko-molekularna znanost. Kemični elementi. Plini, tekočine in trdne snovi spadajo med snovi molekularne in nemolekularne zgradbe. Vrsta kristalne mreže. Odvisnost lastnosti snovi od njihove sestave in strukture

Molekularna in nemolekularna zgradba snovi. Zgradba snovi

V kemijske interakcije ne vstopijo posamezni atomi ali molekule, temveč snovi. Snovi so razvrščene glede na vrsto vezi molekularni in nemolekularna struktura. Snovi, sestavljene iz molekul, imenujemo molekularne snovi. Vezi med molekulami v takšnih snoveh so zelo šibke, veliko šibkejše kot med atomi znotraj molekule, in že pri razmeroma nizkih temperaturah se pretrgajo – snov se spremeni v tekočino in nato v plin (sublimacija joda). Tališča in vrelišča snovi, sestavljenih iz molekul, naraščajo z naraščajočo molekulsko maso. TO molekularne snovi vključujejo snovi z atomsko strukturo (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), med njimi so kovine in nekovine. Do snovi nemolekularna struktura vključujejo ionske spojine. Večina spojin kovin z nekovinami ima to zgradbo: vse soli (NaCl, K 2 SO 4), nekateri hidridi (LiH) in oksidi (CaO, MgO, FeO), baze (NaOH, KOH). Ionske (nemolekularne) snovi imajo visoka tališča in vrelišča.

Trdne snovi: amorfne in kristalinične

Trdne snovi delimo na kristalni in amorfni.

Amorfne snovi nimajo jasnega tališča - pri segrevanju se postopoma zmehčajo in preidejo v tekoče stanje. Na primer, plastelin in različne smole so v amorfnem stanju.

Kristalne snovi za katere je značilna pravilna razporeditev delcev, iz katerih so sestavljeni: atomov, molekul in ionov - na strogo določenih točkah v prostoru. Ko so te točke povezane z ravnimi črtami, se oblikuje prostorski okvir, imenovan kristalna mreža. Točke, na katerih se nahajajo kristalni delci, imenujemo vozlišča mreže. Glede na vrsto delcev, ki se nahajajo na vozliščih kristalne mreže, in naravo povezave med njimi ločimo štiri vrste kristalnih mrež: ionsko, atomsko, molekularno in kovinsko.

Kristalne mreže imenujemo ionske, na vozliščih katerih so ioni. Tvorijo jih snovi z ionskimi vezmi, ki lahko vežejo tako enostavne ione Na+, Cl - kot kompleksne SO 4 2-, OH -. Posledično imajo soli ter nekateri oksidi in hidroksidi kovin ionske kristalne mreže. Na primer, kristal natrijevega klorida je zgrajen iz izmenjujočih se pozitivnih Na + in negativnih Cl - ionov, ki tvorijo kockasto mrežo. Vezi med ioni v takem kristalu so zelo stabilne. Zato je za snovi z ionsko mrežo značilna relativno visoka trdota in trdnost, so ognjevzdržne in nehlapne.

Kristalna mreža - a) in amorfna mreža - b).

Kristalna mreža - a) in amorfna mreža - b).

Atomske kristalne mreže

Atomsko imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih so posamezni atomi. V takih mrežah so atomi med seboj povezani zelo močne kovalentne vezi. Primer snovi s to vrsto kristalne mreže je diamant, ena od alotropskih modifikacij ogljika. Večina snovi z atomsko kristalno mrežo ima zelo visoka tališča (na primer za diamant je več kot 3500 ° C), so močne in trde ter praktično netopne.

Molekularne kristalne mreže

Molekularno imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih se nahajajo molekule. Kemične vezi v teh molekulah so lahko polarne (HCl, H 2 O) in nepolarne (N 2, O 2). Kljub temu, da so atomi znotraj molekul povezani z zelo močnimi kovalentnimi vezmi, med samimi molekulami delujejo šibke sile medmolekularnega privlačenja. Zato imajo snovi z molekularno kristalno mrežo nizko trdoto, nizka tališča in so hlapne. Večina trdnih organskih spojin ima molekularne kristalne mreže (naftalen, glukoza, sladkor).

Molekularna kristalna mreža (ogljikov dioksid)

Kovinske kristalne rešetke

Snovi z kovinska vez imajo kovinske kristalne mreže. Na vozliščih takšnih rešetk so atomi in ioni(bodisi atomi ali ioni, v katere se kovinski atomi zlahka spremenijo in oddajo svoje zunanje elektrone "za skupno uporabo"). Ta notranja struktura kovin določa njihove značilne fizikalne lastnosti: kovnost, duktilnost, električno in toplotno prevodnost, značilen kovinski lesk.

Goljufije

Atomsko-molekularno znanost je razvil in prvi uporabil v kemiji veliki ruski znanstvenik M. V. Lomonosov. Glavne določbe te doktrine so navedene v delu "Elementi matematične kemije" (1741) in številnih drugih. Bistvo učenja Lomonosova je mogoče zmanjšati na naslednje določbe.

1. Vse snovi so sestavljene iz "telescev" (kot je Lomonosov imenoval molekule).

2. Molekule so sestavljene iz "elementov" (kot je Lomonosov imenoval atome).

3. Delci – molekule in atomi – so v neprekinjenem gibanju. Toplotno stanje teles je posledica gibanja njihovih delcev.

4. Molekule preprostih snovi so sestavljene iz enakih atomov, molekule kompleksnih snovi - iz različnih atomov.

67 let po Lomonosovu je angleški znanstvenik John Dalton uporabil atomistični nauk v kemiji. V knjigi »Nov sistem kemijske filozofije« (1808) je orisal osnovna načela atomizma. Daltonov nauk v svojem bistvu ponavlja nauk Lomonosova. Dalton pa je zanikal obstoj molekul v enostavnih snoveh, kar je korak nazaj v primerjavi z učenjem Lomonosova. Po Daltonu so preproste snovi sestavljene samo iz atomov, samo kompleksne snovi pa so sestavljene iz "kompleksnih atomov" (v sodobnem smislu molekul). Atomsko-molekularna teorija v kemiji se je dokončno uveljavila šele sredi 19. stoletja. Na mednarodnem kongresu kemikov v Karlsruheju leta 1860 sta bili sprejeti definiciji pojmov molekula in atom.

Molekula je najmanjši delec določene snovi, ki ima njene kemijske lastnosti. Kemijske lastnosti molekule določata njena sestava in kemijska zgradba.

Atom je najmanjši delec kemičnega elementa, ki je del molekul preprostih in kompleksnih snovi. Kemične lastnosti elementa določa zgradba njegovega atoma. To vodi do definicije atoma, ki ustreza sodobnim konceptom:

Atom je električno nevtralen delec, sestavljen iz pozitivno nabitega atomskega jedra in negativno nabitih elektronov.

Po sodobnih predstavah so snovi v plinastem in parnem stanju sestavljene iz molekul. V trdnem stanju so le snovi, katerih kristalna mreža ima molekularno zgradbo, sestavljene iz molekul. Večina trdnih anorganskih snovi nima molekularne strukture: njihova mreža ni sestavljena iz molekul, temveč iz drugih delcev (ionov, atomov); obstajajo v obliki makroteles (kristal natrijevega klorida, kos bakra itd.). Soli, kovinski oksidi, diamant, silicij in kovine nimajo molekularne strukture.

Kemični elementi

Atomsko-molekularna znanost je omogočila razlago osnovnih pojmov in zakonov kemije. Z vidika atomsko-molekularne teorije se kemijski element imenuje vsaka posamezna vrsta atoma. Najpomembnejša značilnost atoma je pozitivni naboj njegovega jedra, ki je številčno enak atomskemu številu elementa. Vrednost jedrskega naboja služi kot značilnost za različne vrste atomov, kar nam omogoča popolnejšo opredelitev pojma elementa:

Kemični element- To je določena vrsta atoma z enakim pozitivnim nabojem na jedru.

Znanih je 107 elementov. Trenutno se nadaljuje delo na umetni proizvodnji kemičnih elementov z višjimi atomskimi številkami.

Vse elemente običajno delimo na kovine in nekovine. Vendar je ta delitev pogojna. Pomembna značilnost elementov je njihova številčnost v zemeljski skorji, tj. v zgornji trdni lupini Zemlje, katere debelina naj bi bila približno 16 km. Razporeditev elementov v zemeljski skorji preučuje geokemija – veda o kemiji Zemlje. Geokemik A. P. Vinogradov je sestavil tabelo povprečne kemične sestave zemeljske skorje. Po teh podatkih je najpogostejši element kisik - 47,2% mase zemeljske skorje, sledi silicij - 27,6, aluminij - 8,80, železo -5,10, kalcij - 3,6, natrij - 2,64, kalij - 2,6, magnezij - 2,10, vodik - 0,15%.

Kovalentna kemična vez, njene sorte in mehanizmi nastanka. Značilnosti kovalentnih vezi (polarnost in energija vezi). Ionska vez. Kovinska povezava. Vodikova vez

Doktrina kemijske vezi je osnova vse teoretične kemije.

Kemično vez razumemo kot interakcijo atomov, ki jih veže v molekule, ione, radikale in kristale.

Poznamo štiri vrste kemijskih vezi: ionske, kovalentne, kovinske in vodikove.

Razdelitev kemičnih vezi na vrste je pogojna, saj je za vse značilna določena enotnost.

Ionsko vez lahko obravnavamo kot skrajni primer polarne kovalentne vezi.

Kovinska vez združuje kovalentno interakcijo atomov z uporabo skupnih elektronov in elektrostatično privlačnost med temi elektroni in kovinskimi ioni.

Snovi pogosto nimajo omejitvenih primerov kemične vezi (ali čiste kemične vezi).

Na primer, litijev fluorid $LiF$ je razvrščen kot ionska spojina. Pravzaprav je vez v njem $80%$ ionska in $20%$ kovalentna. Zato je očitno pravilneje govoriti o stopnji polarnosti (ionskosti) kemijske vezi.

V nizu vodikovih halogenidov $HF—HCl—HBr—HI—HAt$ se stopnja polarnosti vezi zmanjša, ker se zmanjša razlika v vrednostih elektronegativnosti atomov halogena in vodika, v astatnem vodiku pa vez postane skoraj nepolarni $(EO(H) = 2,1; EO(At) = 2,2)$.

V istih snoveh lahko najdemo različne vrste vezi, na primer:

1. v bazah: med atomoma kisika in vodika v hidrokso skupinah je vez polarna kovalentna, med kovino in hidrokso skupino pa ionska;
2. v soli kislin, ki vsebujejo kisik: med atomom nekovine in kisikom kislega ostanka - kovalentno polarno in med kovino in kislim ostankom - ionsko;
3. v amonijevih, metilamonijevih soli itd .: med dušikovimi in vodikovimi atomi - kovalentni polarni ter med amonijevimi ali metilamonijevimi ioni in kislinskim ostankom - ionski;
4. v kovinskih peroksidih (npr. $Na_2O_2$) je vez med atomi kisika kovalentna nepolarna, med kovino in kisikom pa ionska itd.

Različne vrste povezav se lahko preoblikujejo ena v drugo:

— pri elektrolitski disociaciji kovalentnih spojin v vodi kovalentna polarna vez postane ionska;

- pri izhlapevanju kovin se kovinska vez spremeni v nepolarno kovalentno vez itd.

Razlog za enotnost vseh vrst in vrst kemičnih vezi je njihova enaka kemična narava - elektron-jedrska interakcija. Tvorba kemične vezi je v vsakem primeru posledica elektronsko-jedrske interakcije atomov, ki jo spremlja sproščanje energije.

Metode tvorjenja kovalentnih vezi. Značilnosti kovalentne vezi: dolžina vezi in energija

Kovalentna kemična vez je vez, ki nastane med atomi s tvorbo skupnih elektronskih parov.

Mehanizem nastanka takšne vezi je lahko izmenjalni ali donorno-akceptorski.

jaz Menjalni mehanizem deluje, ko atomi tvorijo skupne elektronske pare z združevanjem neparnih elektronov.

1) $H_2$ - vodik:

Vez nastane zaradi tvorbe skupnega elektronskega para $s$-elektronov vodikovih atomov (prekrivajočih se $s$-orbital):

2) $HCl$ - vodikov klorid:

Vez nastane zaradi tvorbe skupnega elektronskega para $s-$ in $p-$elektronov (prekrivajočih se $s-p-$orbital):

3) $Cl_2$: v molekuli klora nastane kovalentna vez zaradi nesparjenih $p-$elektronov (prekrivajočih se $p-p-$orbital):

4) $N_2$: v molekuli dušika se med atomi tvorijo trije skupni elektronski pari:

II. Donorsko-akceptorski mehanizem Oglejmo si nastanek kovalentne vezi na primeru amonijevega iona $NH_4^+$.

Donor ima elektronski par, akceptor ima prazno orbitalo, ki jo ta par lahko zasede. V amonijevem ionu so vse štiri vezi z vodikovimi atomi kovalentne: tri so nastale zaradi ustvarjanja skupnih elektronskih parov z atomom dušika in vodikovimi atomi v skladu z mehanizmom izmenjave, ena - z mehanizmom donor-akceptor.

Kovalentne vezi lahko razvrstimo glede na način prekrivanja elektronskih orbital, pa tudi glede na njihov premik proti enemu od vezanih atomov.

Kemične vezi, ki nastanejo kot posledica prekrivanja elektronskih orbital vzdolž vezne črte, se imenujejo $σ$ -obveznice (sigma obveznice). Sigma vez je zelo močna.

$p-$orbitale se lahko prekrivajo v dveh regijah in tvorijo kovalentno vez zaradi stranskega prekrivanja:

Kemične vezi, ki nastanejo kot posledica "bočnega" prekrivanja elektronskih orbital zunaj komunikacijske linije, tj. na dveh področjih se imenujeta $π$ -vezi (pi-vezi).

Avtor: stopnja pomika skupne elektronske pare z enim od atomov, ki jih povezujejo, je lahko kovalentna vez polarni in nepolarni.

Kovalentna kemična vez, ki nastane med atomi z enako elektronegativnostjo, se imenuje nepolarni. Elektronski pari niso premaknjeni na nobenega od atomov, ker atomi imajo enako EO – lastnost privabljanja valenčnih elektronov iz drugih atomov. Na primer:

tiste. molekule enostavnih nekovinskih snovi nastanejo preko kovalentnih nepolarnih vezi. Imenuje se kovalentna kemična vez med atomi elementov, katerih elektronegativnost je različna polarni.

Dolžina in energija kovalentnih vezi.

Značilno lastnosti kovalentne vezi- njegova dolžina in energija. Dolžina povezave je razdalja med jedri atomov. Čim krajša je dolžina kemijske vezi, tem močnejša je. Vendar je merilo moči povezave vezavna energija, ki je določena s količino energije, potrebne za prekinitev vezi. Običajno se meri v kJ/mol. Tako so po eksperimentalnih podatkih dolžine vezi molekul $H_2, Cl_2$ in $N_2$ $0,074, 0,198$ in $0,109$ nm, energije vezi pa $436, 242$ in $946$ kJ/mol.

Ioni. Ionska vez

Predstavljajmo si, da se »srečata« dva atoma: atom kovine I. skupine in atom nekovine VII. Kovinski atom ima en sam elektron na svoji zunanji energijski ravni, medtem ko atomu nekovine manjka samo en elektron, da bi bila njegova zunanja raven popolna.

Prvi atom bo drugemu zlahka odstopil svoj elektron, ki je oddaljen od jedra in nanj šibko vezan, drugi pa mu bo zagotovil prosto mesto na njegovi zunanji elektronski ravni.

Nato bo atom, prikrajšan za enega od svojih negativnih nabojev, postal pozitivno nabit delec, drugi pa se bo zaradi nastalega elektrona spremenil v negativno nabit delec. Takšni delci se imenujejo ioni.

Kemična vez, ki nastane med ioni, se imenuje ionska.

Razmislimo o nastanku te vezi na primeru dobro znane spojine natrijev klorid (kuhinjska sol):

Postopek pretvorbe atomov v ione je prikazan na diagramu:

Ta transformacija atomov v ione se vedno zgodi med interakcijo atomov tipičnih kovin in tipičnih nekovin.

Razmislimo o algoritmu (zaporedju) sklepanja pri snemanju tvorbe ionske vezi, na primer med atomi kalcija in klora:

Imenujejo se števila, ki kažejo število atomov ali molekul koeficientov, in imenujemo številke, ki kažejo število atomov ali ionov v molekuli indeksi.

Kovinska povezava

Spoznajmo, kako atomi kovinskih elementov medsebojno delujejo. Kovine običajno ne obstajajo kot izolirani atomi, temveč v obliki kosa, ingota ali kovinskega izdelka. Kaj drži kovinske atome v enem volumnu?

Atomi večine kovin vsebujejo majhno število elektronov na zunanji ravni - $1, 2, 3$. Ti elektroni se zlahka odstranijo in atomi postanejo pozitivni ioni. Ločeni elektroni se premikajo od enega iona do drugega in jih povezujejo v eno celoto. Pri povezovanju z ioni ti elektroni začasno tvorijo atome, nato se spet odcepijo in združijo z drugim ionom itd. Posledično se v volumnu kovine atomi nenehno pretvarjajo v ione in obratno.

Vez v kovinah med ioni prek skupnih elektronov se imenuje kovinska.

Slika shematično prikazuje strukturo kovinskega fragmenta natrija.

V tem primeru majhno število skupnih elektronov veže veliko število ionov in atomov.

Kovinska vez ima nekaj podobnosti s kovalentno vezjo, saj temelji na delitvi zunanjih elektronov. Vendar pa se pri kovalentni vezi delijo zunanji nesparjeni elektroni le dveh sosednjih atomov, medtem ko pri kovinski vezi vsi atomi sodelujejo pri delitvi teh elektronov. Zato so kristali s kovalentno vezjo krhki, s kovinsko vezjo pa so praviloma duktilni, električno prevodni in imajo kovinski lesk.

Kovinska vezava je značilna tako za čiste kovine kot za mešanice različnih kovin - zlitine v trdnem in tekočem stanju.

Vodikova vez

Kemična vez med pozitivno polariziranimi atomi vodika ene molekule (ali njenega dela) in negativno polariziranimi atomi močno elektronegativnih elementov z osamljenimi elektronskimi pari ($F, O, N$ in redkeje $S$ in $Cl$) druge molekule (ali njegov del) imenujemo vodik.

Mehanizem tvorbe vodikove vezi je deloma elektrostatičen, deloma donorsko-akceptorski.

Primeri medmolekularnih vodikovih vezi:

Ob prisotnosti takšne povezave so lahko tudi nizkomolekularne snovi v normalnih pogojih tekočine (alkohol, voda) ali zlahka utekočinjeni plini (amoniak, vodikov fluorid).

Snovi z vodikovimi vezmi imajo molekularne kristalne mreže.

Snovi molekulske in nemolekularne zgradbe. Vrsta kristalne mreže. Odvisnost lastnosti snovi od njihove sestave in strukture

Molekularna in nemolekularna zgradba snovi

V kemijske interakcije ne vstopajo posamezni atomi ali molekule, temveč snovi. Pod danimi pogoji je lahko snov v enem od treh agregatnih stanj: trdnem, tekočem ali plinastem. Lastnosti snovi so odvisne tudi od narave kemijske vezi med delci, ki jo tvorijo – molekulami, atomi ali ioni. Glede na vrsto vezi ločimo snovi molekulske in nemolekularne zgradbe.

Snovi, sestavljene iz molekul, imenujemo molekularne snovi. Vezi med molekulami v takšnih snoveh so zelo šibke, veliko šibkejše kot med atomi znotraj molekule, in že pri razmeroma nizkih temperaturah se pretrgajo – snov se spremeni v tekočino in nato v plin (sublimacija joda). Tališča in vrelišča snovi, sestavljenih iz molekul, naraščajo z naraščajočo molekulsko maso.

Med molekularne snovi uvrščamo snovi z atomsko zgradbo ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), med njimi so kovine in nekovine.

Oglejmo si fizikalne lastnosti alkalijskih kovin. Relativno nizka trdnost vezi med atomi povzroča nizko mehansko trdnost: alkalijske kovine so mehke in jih je mogoče zlahka rezati z nožem.

Velike atomske velikosti vodijo do nizke gostote alkalijskih kovin: litij, natrij in kalij so celo lažji od vode. V skupini alkalijskih kovin se vrelišče in tališče z naraščanjem atomskega števila elementa nižata, ker Velikosti atomov se povečajo in vezi oslabijo.

Do snovi nemolekularni strukture vključujejo ionske spojine. Večina spojin kovin z nekovinami ima to zgradbo: vse soli ($NaCl, K_2SO_4$), nekateri hidridi ($LiH$) in oksidi ($CaO, MgO, FeO$), baze ($NaOH, KOH$). Ionske (nemolekularne) snovi imajo visoka tališča in vrelišča.

Kristalne mreže

Snov, kot je znano, lahko obstaja v treh agregatnih stanjih: plinastem, tekočem in trdnem.

Trdne snovi: amorfne in kristalinične.

Poglejmo si, kako značilnosti kemijskih vezi vplivajo na lastnosti trdnih snovi. Trdne snovi delimo na kristalni in amorfen.

Amorfne snovi nimajo jasnega tališča, pri segrevanju se postopoma zmehčajo in preidejo v tekoče stanje. Na primer, plastelin in različne smole so v amorfnem stanju.

Za kristalne snovi je značilna pravilna razporeditev delcev, iz katerih so sestavljene: atomov, molekul in ionov - na strogo določenih točkah v prostoru. Ko so te točke povezane z ravnimi črtami, se oblikuje prostorski okvir, imenovan kristalna mreža. Točke, v katerih se nahajajo kristalni delci, imenujemo vozlišča mreže.

Glede na vrsto delcev, ki se nahajajo na vozliščih kristalne mreže, in naravo povezave med njimi ločimo štiri vrste kristalnih mrež: ionski, atomski, molekularni in kovina.

Ionske kristalne mreže.

Ionski imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih so ioni. Tvorijo jih snovi z ionskimi vezmi, ki lahko vežejo tako enostavne ione $Na^(+), Cl^(-)$ kot kompleksne $SO_4^(2−), OH^-$. Posledično imajo soli ter nekateri oksidi in hidroksidi kovin ionske kristalne mreže. Na primer, kristal natrijevega klorida je sestavljen iz izmenjujočih se pozitivnih $Na^+$ in negativnih $Cl^-$ ionov, ki tvorijo mrežo v obliki kocke. Vezi med ioni v takem kristalu so zelo stabilne. Zato je za snovi z ionsko mrežo značilna relativno visoka trdota in trdnost, so ognjevzdržne in nehlapne.

Atomske kristalne mreže.

Atomsko imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih so posamezni atomi. V takih mrežah so atomi med seboj povezani z zelo močnimi kovalentnimi vezmi. Primer snovi s to vrsto kristalne mreže je diamant, ena od alotropskih modifikacij ogljika.

Večina snovi z atomsko kristalno mrežo ima zelo visoka tališča (na primer za diamant je nad 3500°C), so močne in trde ter praktično netopne.

Molekularne kristalne mreže.

Molekularno imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih se nahajajo molekule. Kemične vezi v teh molekulah so lahko tako polarne ($HCl, H_2O$) kot nepolarne ($N_2, O_2$). Kljub temu, da so atomi znotraj molekul povezani z zelo močnimi kovalentnimi vezmi, med samimi molekulami delujejo šibke medmolekularne sile privlačnosti. Zato imajo snovi z molekularno kristalno mrežo nizko trdoto, nizka tališča in so hlapne. Večina trdnih organskih spojin ima molekularne kristalne mreže (naftalen, glukoza, sladkor).

Kovinske kristalne rešetke.

Snovi s kovinskimi vezmi imajo kovinske kristalne mreže. Na mestih takšnih mrež so atomi in ioni (bodisi atomi ali ioni, v katere se kovinski atomi zlahka pretvorijo in oddajo svoje zunanje elektrone "za skupno uporabo"). Ta notranja struktura kovin določa njihove značilne fizikalne lastnosti: kovnost, duktilnost, električno in toplotno prevodnost, značilen kovinski lesk.