Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (Учебник по химии), страница 14

Между двумя молекулами возникает взаимодействие, которое имеет электростатический и частично донорио-акцепторный характер. Водородную связь условно записывают как Х вЂ” Н" У, где Х и У вЂ” атомы Р, Х, О или Я (точками обозначается собственно водородная связь). Рассмотрим возникновение водородной связи при взаимодействии двух молекул фторида водорода. В молекуле НР электронная пара смещена к атому фтора, т.

е. атом водорода поляризован положительно, а атом фтора — отрицательно. Между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы НР и отрицательно поляризованным атомом фтора второй молекулы возникает водородная связь Каждый атом водорода в полученном димере связан с двумя атомами фтора одной ковалентной связью и одной водородной связью.

Энергия и длина водородной связи в значительной мере определяются электрическим моментом диполя связи и размерами атома. Длина связи уменьшается, а энергия водородной связи возрастает с увеличением разности ЭО у атомов Х и У и соответственно электрического момента диполя связи Х вЂ” Н и с уменьшением размера атома У. Например, у молекул воды, у которых разница ЭО кислорода и водорода равна 0,5, длины связи в триаде Π— Н" О равны 0,096 нм для Π— Н и 0,204 нм для Н".О, энергия водородной связи Н."О составляет 21,51 кДж/моль. У молекул НР, у которых разница ЭО фтора с водородом равна 1,9, длины связей РН и Н" Р одинаковы и равны О,1!3 нм, энергия водородной связи Н "Р составляет !!3 кДж/моль, т. е. соизмерима с энергией ковалентной связи.

Обычно же энергия водородной связи лежит в пределах 5— 25 кДж/моль, т. е. она больше энергии межмолекулярного взаимодействия, но значительно меньше энергии ковалентной связи. Водородная связь имеет весьма широкое распространение. Она встречается в неорганических и органических соединениях. Водородная связь иногда определяет структуру вещества и заметно влияет на физико-химические свойства.

Важную роль играет водородная связь в процессах кристаллизации и растворения веществ, образования кристаллогидратов, ассоциации молекул и др. Примером полимерных ассоциатов может служить фторид водорода: н н Вследствие ассоциации фтороводородная кислота более слабая кислота по сравнению с другими галогеноводородными кислотами. В результате ассоциации температура кипения НР значительно выше температуры кипения НС).

Способностью к ассоциации обладают вода, аммиак, спирты и другие соединения. Кроме межмолекулнрной водородной связи наблюдается внутримолекуляр. ная связь, объединяющаи атомы одной и той же молекулы. Ниже приведены две молекулы с внутрнмолекулярной водородной связью: Ф~О с н салициловый альдегид о-хлор- фенол При образовании внутримолекуляриой водородной связи теряется способность к ассоциации молекул. Поэтому изомеры с внутримолекулярной водород.

ной связью более летучи, хорошо растворяются в органических растворителях и менее реакционноснособны. 1) н:с! — ве — сн — — ве-с~ — ве- П с~ ! ! — ве — с~ — ве— Донорно-акцепторное взаимодействие между разными молекулами приводит к образованию сложных соединений, которые называются комплексными. Рассмотрим в качестве примера взаимодействие между молекулами А!С)з и )х)Нз. Атом азота в молекуле имеет неподеленную пару электронов и играет роль донора, а атом алюминия в молекуле А)С!з — свободную. орби- таль и играет роль акцептора. При взаимодействии )х)Нз и А)С!з образуется комплексное соединение Нз)х) А!С1з' Доиорно-акцепторное взаимодействие молекул. При наличии у атомов одной из молекул свободной орбитали, а у атомов другой молекулы — электронной пары между этими молекулами может возникнуть взаимодействие по донорно-акцепторному механизму.

Донорно-акцепторное вйаимодействие возможно как между одинаковыми, так и между разными молекулами. В первом случае возникают полимерные молекулы, например (А!С!з), (ВеРх)ч, (ВеС!з)л и др. Например, в молекуле ВеС1з атомы Ве имеют свободные электронные орбитали и могут быть акцепторами, а атомы хлора имеют неподеленные пары электронов и могут быть донорами, поэтому между молекулами ВеС!х возникацт донорно-акцепторное взаимодействие с образованием полимера: н с! н с! ! и — ьн + ~ ~А!-С! — ~ Н вЂ” Н вЂ” А! — С! 1 1 н с! н с! Энергия межмолекулярного донорно-акцепторного взаимодействия зависит от природы взаимодействующих молекул и изменяется в широких пределах: от значений, характерных для вандерваальсовых сил, до значений, отвечающих обычным межатомным ковалентным связям.

Например, энергия межмолекулярной донорно-акцепторной связи в комплексе 1 СН,ОН равна 8 кДж/моль, а в комплексе НТ1Ч А1С!! — 233 краж/моль. $ !!!ЗЬ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ В РАЗЛИЧНЫХ СОСТОЯНИЯХ В зависимости от условий окружающей среды и в первую очередь от температуры и давления химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях. Эти агрегатные состояния отличаются друг от друга величиной и природой сил, действующих между частицами, а также характером движения самих частиц.

Различают твердое, жидкое, газообразное и плазменное состояния веществ. Между четырьмя агрегатными состояниями нет резких границ. В зависимости от природы веществ, образующих систему, а также температуры и давления возможно существование промежуточных или переходных агрегатных состояний. Газообразное состояние. В газообразном состоянии вещество заполняет весь объем и принимает форму сосуда, обладает большой сжимаемостью и образует однородные смеси. Эти свойства газов обусловлены тем, что их отдельные молекулы находятся на сравнительно далеком расстоянии друг от друга, поэтому не оказывают значительного взаимного влияния.

Кинетическая энергия молекул в этом состоянии максимальна, а энергия их взаимодействия минимальна. Главным видом движения молекул в газах является поступательное движение. При этом они испытывают огромное число соударений: для одного моля газа более чем 10!0 соударений в секунду прн комнатной температуре. Молекулы в газах движутся хаотически. Они сохраняют свою химическую индивидуальность, поэтому многие физико-химические свойства таких систем могут быть получены по правилу аддитивности: суммированием характеристик образующих их молекул. Так, давление р, объем У и число молей и идеального газа связаны между собой уравнением Менделеева— Клапейрона (1П.2) ру= илг, где 1т — молярная газовая постоянная; Т вЂ” термодинамическая температура.

При переходе к реальным газам в уравнение (111.2) необхоб! димо вводить поправки, учитывающие как силы взаимодействия между молекулами, так и собственный их объем: (1П.З) где 6 — поправка на объем молекул; а — коэффициент пропорциональности, учитывающий энергию их взаимодействия. Формально уравнение (П1.3) может быть применено и к жидкостям, Однако поправочный член а/$" будет значительно превышать давление р.

Уравнение (1Н.З) впервые было предложено Вандер-Ваальсом и называется его именем. Точные количественные расчеты для газов требуют введения еще и других поправок. К настоящему времени предложено большое число различных уравнений состояния газов, дающих хорошие результаты в том нли ином интервале изменения температуры и давления. Плазменное состояние. При нагревании разреженных газообразных систем до высоких температур, как правило, превышающих десятки тысяч градусов, происходит ионизация молекул, н газ переходит в специфическое состояние с электронно-ионной проводимостью, называемое плазменным состоянием. Ионы, появившиеся в иизкотемпературной плазме в результате отщепления электронов, способны к дальнейшим химическим реакциям, поэтому в плазмах можно обнаружить такие экзотические с точки зрения химии частицы, как ионы СНх, Н1', Не1, Хе~ и т.

п. Кинетическая и потенциальная энергия частиц в плазменном состоянии превышаег аналогичные параметры газообразных молекул, но наиболее существенные различия между плазмой и газами возникают прн наложении электрического и магнитного полей большой напряженности. При этом движение частиц в плазме становится направленным, и придавая ему винтообразную форму, можно до известной степени управлять плазмой.

Конденсированное состояние. При охлаждении газ конденсируется, превращаясь в жидкость, которая прн дальнейшем охлаждении переходит в твердое состояние. В поведении жидкостей и твердых тел есть много общего: незначительная сжимаемость, медленная диффузия частиц и другие, поэтому жидкое и твердое состояния часто объединяют общим термином сконденсированное состояние вещества». Жидкое состояние.

Молекулы в жидкости находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах, и удерживаются относительно друг друга силами межмолекулярного взаимодействия. Доля свободного объема в жидкости очень невелика, поэтому жидкости обладают незначительной сжимаемостью. Молекулы в жидкости свободно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкости обладают текучестью и способностью принимать форму той части сосуда, которую они занимают, либо форму шара в невесомости. Повышенное тепловое движение частиц в жидкостях и низкая вязкость их приводят, в среднем, к неупо- рядоченному размещению частиц. В связи с этим жидкости обладают нзотропностью, т.