Мои Конспекты
Главная | Обратная связь

...

Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Молекулы и кристаллические структуры





Помощь в ✍️ написании работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Свойствам и строению атомов будет посвящен отдельный раздел книги. Пока было сказано лишь о том, что атомы имеют разную массу. Укажем еще одно чрезвычайно важное свойство атомов, определяющее весь облик окружающего нас мира, - это способность атомов соединяться между собой в более крупные частицы, начиная от двухатомных молекул и до

огромных молекул, содержащих тысячи атомов, а также кристаллических структур, в которых число атомов зависит от величины кристалла.

Молекула - частица вещества, состоящая из связанных между собой атомов.

задание 1.3.Как можно представить и с чем сравнить состояние вещества, если бы атомы не могли соединяться в многоатомные частицы?

Вещества и соответствующие им молекулы изображают формулами, составленными из символов химических элементов и индексов, обозначающих число атомов каждого элемента. Индекс «1»при атомах не ставят. Для последовательности записи элементов в молекуле единого правила нет. Кислород обычно записывают на последнем месте. Водород в кислотах ставят на первом месте, а в органических соединениях после углерода.

пример 1.2. Молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода. Напишите ее формулу.

РЕШЕНИЕ. По табл. 1.3 записываем символы химических элементов и добавляем индексы: H2SO4.

Молекулы имеют определенную массу, зависящую от состава.

Относительная молекулярная масса Mr (далее в тексте молекулярная масса) - это характеристика вещества и составляющих его молекул, представляющая собой отношение массы молекулы к атомной единице массы.

При соединении атомов в молекулы масса с большой степенью точности сохраняется. Поэтому молекулярная масса равна сумме атомных масс:

где i - условный номер элемента в порядке перечисления в формуле; Ni - число атомов данного элемента.

пример 1.3. Вычислите молекулярную массу серной кислоты.

РЕШЕНИЕ. Из табл. 1.3 берем атомные массы элементов, округляя их до целых чисел, и применяем формулу 1.1:

пример 1.4.Сколько молекул содержится в 5 г серной кислоты?

РЕШЕНИЕ. Задача решается так же, как в случае вычисления числа атомов (пример 1.1).

Рассмотрим элементный состав и строение молекул некоторых веществ.

Мы постоянно находимся в контакте с двухатомными молекулами кислорода 02 и азота N2, из которых состоит газовая смесь, называемая воздухом. Есть также двухатомные молекулы, состоящие из разных атомов: молекула угарного газа СО, молекула хлороводорода НС1. При обычных условиях веществ, состоящих из двухатомных молекул, известно всего около двух десятков. Но при сильном нагревании многих веществ в газообразных продуктах их превращения возникают двухатомные молекулы.

Среди веществ, состоящих из трехатомных молекул, наиболее важна вода Н20. Молекулярная масса воды Мг20) = 2 • 1 + 16 = 18. Это одна из самых легких молекул. Чем доказывается состав и молекулярное строение воды? Вода образуется при взаимодействии определенных масс простых веществ водорода и кислорода. Это превращение может быть осуществлено в виде горения водорода в кислороде (наподобие горения газа в домашних плитах) или в виде взрыва смеси газов Н2 и 02. Оказывается, что в расчете на 1 г водорода во взаимодействии всегда участвует 8 г кис-

лорода и образуется 9 г воды. Отношение масс 1 : 8 такое же, как отношение масс двух атомов водорода и одного атома кислорода. Воду можно разложить на простые вещества электролизом. При этом на каждые 9 г воды получают 1 г водорода и 8 г кислорода. Надо отметить, что разложение воды на водород и кислород нисколько не похоже на разделение смеси веществ. В смеси присутствуют кристаллы, порошки, капельки или отдельные молекулы (как в воздухе) нескольких разных веществ. Вода же состоит только из молекул Н20, и разложение воды означает разрушение этих молекул.

Молекулы обычных веществ (кроме некоторых видов полимеров) очень малы, и их невозможно увидеть в микроскоп. Но все же методом дифракции рентгеновских лучей (рентгеноструктурным анализом) точно определяют расположение атомов в твердом веществе и наличие молекул.

Структура твердой воды (льда) показана на рис. 1.7, из которого хорошо видно, что к каждому атому кислорода приближены два атома водорода на расстояние 100 пм. Эти два ближайших атома водорода

Рис. 1.7.Структура твердой воды (льда)

связаны с атомом кислорода, составляя молекулу воды. Следующее по величине расстояние Н-О составляет 176 пм. Между этими атомами прочной связи нет, и они принадлежат разным молекулам. Лучшего доказательства того, что вода состоит из молекул, и не требуется!

задание 1.4. Не кажется ли вам, что некоторые расстояния на рис. 1.7 короче указанного 100 пм? Объясните это.

Молекулы изображают с помощью различных моделей и схем (рис. 1.8). Атомы проще всего представить в виде сферических частиц разных размеров (в соответствии с данными исследований). На модели рис. 1.8, а атомы кислорода и водорода изображены в виде соприкасающихся сфер. На модели рис. 1.8, бучтена деформация атомов при их соединении в молекулу. На модели рис. 1.8, ви на рис. 1.7 радиусы атомных сфер уменьшены по отношению к расстоянию между центрами атомов. Это позволяет лучше видеть расположение атомов в объемной структуре. Линия, соединяющая атомы, означает наличие связи между ними. Схема рис. 1.8, г наиболее условная. Здесь атомы изображены символами элементов. Это так называемая структурная формула молекулы. Так изображают все молекулы. В структурной формуле молекулы воды учитывается взаимное расположение атомов кислорода и водорода: согласно результатам исследований, угол между связями составляет 104,5°. Молекулу воды называют угловой.

Рис. 1.8. Графическое изображение молекулы воды

На рис. 1.9 изображены модели молекул еще нескольких сложных веществ. Трехатомные молекулы углекислого газа С02 в отличие от молекул воды линейные: три атома находятся на одной прямой линии. В молекуле бензола С6Н6 все атомы расположены в одной плоскости, причем атомы углерода соединены в правильный шестиугольник. Молекулу аммиака (рис. 1.9, в) можно осмыслить как трехгранную пирамиду, в вершине которой расположен атом азота, а атомы водорода в углах основания. Молекула этана С2Н6состоит как бы из двух половинок СН3, которые могут вращаться взаимно вокруг оси, проходящей через атомы углерода.

Значительно сложнее строение молекулы глюкозы С6Н1206. В ней пять атомов углерода и один атом кислорода образуют шестиугольник, искаженный наподобие листа бумаги, у которого два противоположных уголка отогнуты вверх и вниз. Остальные атомы присоединены к атомам углерода несколько выше и ниже

Рис. 1.9. Модели некоторых молекул: а - углекислый газ; б - бензол; в - аммиак; г - этан; д - глюкоза

шестиугольника. Эти примеры дают лишь предварительное представление о сложности, разнообразии и красоте молекул.

задание 1.5. По рис. 1.9 нарисуйте структурные формулы аммиака, этана и глюкозы.

Молекулы, а следовательно, и состоящие из них вещества характеризуются определенным элементным составом, который выражают в массовых долях. Это отношение массы данного элемента в молекуле к массе молекулы:

пример 1.5. Рассчитайте массовые доли химических элементов в глюкозе.

пример 1.6. В химическом соединении, состоящем из углерода и серы, массовая доля углерода равна 15,8%. Установите формулу вещества.

При исследовании строения веществ иногда обнаруживается расхождение между молекулярной ипростейшей формулой вещества.

пример1.7. Газ этан состоит из 20% водорода и 80% углерода по массе. Установите его формулу.РЕШЕНИЕ.Поступаем как в примере 1.6:

Получаем простейшую формулу СН3. В действительности этан состоит из молекул С2Н6 (см. рис. 1.9).Это молекулярная формула этана, и именно ее всегда используют при решении различных вопросов, связанных с этим веществом.

Исходя из существования молекул, мы воспринимаем как очевидный факт постоянство состава веществ. На самом деле постоянство состава было установлено еще до доказательства существования молекул, и это было одним из аргументов в пользу их реальности. Закон постоянства состава был сформулирован в 1806 г. Ж. Л. Прустом.

Долгое время считалось, что все вещества, тем более многоэлементные, состоят из молекул. Такой взгляд иногда складывается и в наше время. Из табл. 1.1 выпишем формулы пищевой соли NaCl и кварца SiO2. Рентгеноструктурным анализом установлено, что в этих веществах атомы разных видов определенным образом чередуются, не образуя обособленных групп, которые можно было бы считать молекулами.

В кварце каждый атом кремния симметрично окружен четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода находится между двумя атомами кремния, причем все расстояния в ближайшем окружении атомов одинаковы:

Такое расположение атомов не похоже на структуру воды в форме льда. Мы не видим отдельных молекул Si02. Все атомы, имеющиеся в кристалле, объединены сеткой связей как бы в единую молекулу. В структуре хлорида натрия NaCI (рис. 1.10) каждый атом натрия симметрично окружен шестью атомами хлора, расположенными на равных расстояниях. Одновременно и атомы хлора окружены также симметрично шестью атомами натрия. Попробуйте увидеть здесь отдельные молекулы NaCI. Очевидно, что этих молекул в структуре пищевой соли нет. Структуры, подобные кварцу и пищевой соли, называютсяатомными и ионными (какое между ними различие, будет разъяснено позднее). Структуры, подобные воде, т. е. построенные из молекул, называются молекулярными.

Различие веществ с молекулярными и немолекулярными структурами обнаруживается не только рентгеноструктурным анализом. При обычных условиях вещества с молекулярными структурами представляют собой жидкости, газы или заметно летучие твердые вещества. Например, своеобразно пахнущие белые кристаллы нафталина указывают на летучесть вещества. Известно также, что не только жидкая вода, но и лед испаряются. Поместив стекло с каплей воды в морозильную камеру, можно убедиться, что через несколько дней образовавшийся лед исчезает. Это явление называется возгонкой.Оно характерно только для веществ с молекулярной структурой.

Что же, если не молекулы, означают химические формулы веществ с атомными и ионными структурами? Можно считать, что это условные частицы с минимальным числом атомов, соответствующим составу вещества. В хлориде натрия имеется равное число

Рис. 1.10. Кристаллическая структура хлорида натрия

атомов натрия и хлора, что дает формулу NaCl. Рассматривая структуру оксида кремния, можно заметить, что два атома кремния как бы делят между собой каждый атом кислорода. Поэтому на атом кремния приходится два атома кислорода. Получается формула Si02. Под этими формулами подразумеваются не реальные молекулы, а условные частицы, называемые формульными единицами.

Структурные единицы вещества - это реальные (атомы, молекулы) или условные (формульные единицы) частицы, достаточное число которых может составить любую порцию вещества.

Массу формульных единиц, так же, как и молекул, принято выражать через относительную молекулярную массу. В табл. 1.4 показано, какие виды структурных единиц соответствуют некоторым типам веществ.

Таблица 1.4. Структурные единицы веществ

Формульные единицы веществ в отличие от молекул не всегда возможно адекватно изобразить структурными формулами. Например, структурная формула Na-Сl не дает правильного представления о строении хлорида натрия, так как на самом деле атомы натрия и хлора связаны с шестью соседними атомами. Эта формула приобретает смысл для газового состояния соли (температура кипения пищевой соли 1490 °С), в котором действительно имеются молекулы NaCl. Но, как правило, говоря о пищевой соли, подразумевают твердое вещество.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Сохраняются ли молекулы при химических превращениях?

2.Почему вещества с молекулярной структурой летучи и легкоплавки?

3.В природе существуют две разновидности атомов хлора с атомными массами 35 (35С1) и 37 (37С1). Сколько существует разновидностей молекул хлора? Напишите их формулы.

4.Вычислите молекулярные массы гидрокарбоната натрия, оксида углерода(IV), нафталина, перманганата калия и серы.

5. Рассчитайте массовые доли элементов: а) в карбонате кальция; б) в лимонной кислоте; в) в аммиаке.

6. Химическое соединение А1Х3 имеет молекулярную массу 267. Определите элемент X.

7. Сколько молекул содержится в 0,2 г серной кислоты?

8. Химическое соединение кремния с водородом имеет молекулярную массу 32. Определите формулу вещества.

9. На схеме показана структура соединения железа с хлором:

Напишите химическую формулу вещества.

Валентность

Молекулы и кристаллические структуры образуются благодаря притяжению атомов и связыванию их между собой. Поскольку атомы представляют собой

физические микрообъекты, то вопрос о природе связей между ними решается (но полностью пока не решен) физикой. Одновременно это и важнейшая проблема химии и этим объясняется, что связи между атомами называются химическими связями. Сущность химической связи можно понять только на основе строения атомов (раздел 5.2). Пока же мы рассмотрим химические связи формально: сколько их может образовать атом, какие свойства связей непосредственно проявляются в строении молекул.

Способность атомов соединяться между собой называется валентностью.

Размышляя над составом и строением молекул, а также над способностью веществ к химическому взаимодействию, можно сделать два важных вывода о свойствах валентности и химических связей.

1. Валентность имеет определенную направленность. Это вытекает из геометрических характеристик молекул, т. е. из взаимного расположения атомов (см. рис. 1.9).

2. Валентность атома насыщается, а ее величина определяется числом химических связей. Согласно рис. 1.8, атом кислорода двухвалентен, так как образует две химические связи с водородом, а водород одновалентен. Постоянны ли эти валентности? В разных молекулах несколько атомов водорода могут быть одновременно связаны с некоторым другим атомом, но к атому водорода более одного атома не присоединяется. Следовательно, водород всегда одновалентен и по нему можно определять валентность других атомов:

На этой схеме показана валентность четырех химических элементов по водороду. Что можно сказать о валентности других элементов? В этом необходимую помощь оказывает периодическая система элементов. В ее группах (столбцах) с IA по IVA типичная валентность атомов равна номеру группы. В группах с VA по VIIIA валентность равна разности между числом 8 и номером группы. Зная это, можно предсказывать состав множества химических соединений.

задание 1.6.Определите валентность брома и напишите структурные формулы соединений брома с водородом и углеродом.

задание 1.7.Напишите структурную формулу соединения фосфора с водородом.

В одну и ту же группу периодической системы входят элементы со сходным строением атомов, вследствие чего и их валентности оказываются одинаковы. Однако чтобы избежать ошибок, следует иметь в виду, что периодическая система элементов отражает общий закон периодичности, который наряду со сходством элементов подразумевает и закономерное изменение свойств. Поэтому для надежного предсказания валентности атомов необходимо подробно изучить явление периодичности и строение атомов (разделы 5.1 и 5.2).

1. Валентность имеет определенную направленность. Это вытекает из геометрических характеристик молекул, т. е. из взаимного расположения атомов (см. рис. 1.9).

2. Валентность атома насыщается, а ее величина определяется числом химических связей. Согласно рис. 1.8, атом кислорода двухвалентен, так как образует две химические связи с водородом, а водород одновалентен. Постоянны ли эти валентности? В разных молекулах несколько атомов водорода могут быть одновременно связаны с некоторым другим атомом, но к атому водорода более одного атома не присоединяется. Следовательно, водород всегда одновалентен и по нему можно определять валентность других атомов:

На этой схеме показана валентность четырех химических элементов по водороду. Что можно сказать о валентности других элементов? В этом необходимую помощь оказывает периодическая система элементов. В ее группах (столбцах) с IA по IVA типичная валентность атомов равна номеру группы. В группах с VA по VIIIA валентность равна разности между числом 8 и номером группы. Зная это, можно предсказывать состав множества химических соединений.

задание 1.6.Определите валентность брома и напишите структурные формулы соединений брома с водородом и углеродом.

задание 1.7.Напишите структурную формулу соединения фосфора с водородом.

В одну и ту же группу периодической системы входят элементы со сходным строением атомов, вследствие чего и их валентности оказываются одинаковы. Однако чтобы избежать ошибок, следует иметь в виду, что периодическая система элементов отражает общий закон периодичности, который наряду со сходством элементов подразумевает и закономерное изменение свойств. Поэтому для надежного предсказания валентности атомов необходимо подробно изучить явление периодичности и строение атомов (разделы 5.1 и 5.2).

Кратные связи.Одно из химических соединений углерода с кислородом - хорошо известный углекислый газ С02. Какова валентность углерода и кислорода в молекуле С02? Устойчивость этой молекулы дает основание считать связи углерода с кислородом двойными:

0=С=0

Тогда валентность углерода и кислорода остается такой же, как в их соединениях с водородом. Двойная связь имеется также между атомами кислорода в молекуле простого вещества:

0=0

Атомы могут соединяться и тройными связями. Простое вещество азот N2 характеризуется необычай-

ной устойчивостью. Учитывая, что в аммиаке NH3 азот трехвалентен, устойчивость молекулы N2 легко объяснить наличием тройной связи:

Кратность связи более трех, по-видимому, не встречается. Ожидать появления четверной связи можно было бы у атомов четырехвалентного углерода. Однако молекулы С2 с четверной связью не существует. Вместо молекулы С2 углерод образует кристаллические структуры алмаза и графита. В атомной кристаллической структуре алмаза связи между атомами углерода простые (одинарные):

Переменные валентности.Только что мы убедились, что углерод и кислород в углекислом газе сохраняют свои обычные валентности 4 и 2 соответственно. Но эти элементы образуют еще одно химическое соединение - угарный газ СО. Считая, что кислород остается двухвалентным, можно сделать вывод, что углерод бывает не только четырехвалентным, но и двухвалентным. Переменная валентность встречается у большинства химических элементов и представляет собой обычное явление. Многие элементы проявляют разную валентность в соединениях с водородом и кислородом. Например, сера в соединении с водородом двухвалентна, а в соединениях с кислородом четырехи шестивалентна:

Координационное число.Рассмотрим валентность атомов в кристаллических структурах атомного и ионного типа. В разделе 1.4 уже рассмотрена структура хлорида натрия. Согласно положению в периодической системе элементов, натрий и хлор одновалентны. С этой точки зрения понятна формула NaCl. Но нам уже известно, что молекулы NaCl имеются только в газообразной соли, которая не добавляется в пищу. В кристаллической структуре твердой соли как натрий, так и хлор взаимно окружены шестью одинаково расположенными атомами. Странно ведут себя одновалентные атомы. Имеет ли смысл называть их одновалентными? На этом примере выясняется, что валентность может во многих случаях означать не действительное число химических связей, а определенное состояние атома. Так, например, натрий в пищевой соли находится в одновалентном состоянии, образуя в газообразном веществе одну связь с хлором, а в кристаллическом - шесть связей. Вообще, совпадение валентности с числом связей характерно для веществ с молекулярной структурой. В веществах с атомными и ионными структурами такого совпадения очень часто нет.

Для характеристики действительного числа связей у атомов в конкретном веществе используют понятиекоординационное число (сокращенно КЧ).

Координационное число - это число атомов, составляющих ближайшее окружение данного атома в молекуле или кристаллической структуре и образующих с ним химические связи.

пример 1.8.Какую валентность и координационное число имеет железо в соединении FeCl3?

РЕШЕНИЕ. Атом железа связан с тремя атомами одновалентного хлора и, следовательно, находится в трехвалентном состоянии. В газообразном веществе железо, вероятно, образует три связи с атомами хлора. В твердом состоянии КЧ железа равно 6, как показывает схема кристаллической структуры на с. 33.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Перекись водорода состоит из водорода и кислорода и имеет молекулярную массу 34. Сделайте простейшие предположения о строении молекулы и валентности атомов в ней.

2. Сера образует с хлором соединения состава S2C12, SC12 и SC14. Какова валентность серы в этих веществах?

3.Нарисуйте модели молекул этана, пропана С3Н8, этилена С2Н4 и фторида кислорода, как на рис. 1.9.

4.Нарисуйте модель (как на рис 1.9) нафталина С10Н8, учитывая, что молекула состоит из двух шестиуглеродных колец с общим ребром.

5. В чем различие понятий валентности и координационного числа? В чем их сходство?

6. Рассчитайте валентность аргона. Соответствует ли результат вашему представлению об аргоне?

7. Перечислите важнейшие свойства химических связей.

Доверь свою работу ✍️ кандидату наук!
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой



Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.