les7 (Лекции по Химии 1 курс 1 семестр Ланская И.И. (2017))

Лекция 7Взаимодействия между молекуламиПлан лекции1. Силы Ван-дер-Ваальса. Три составляющие.2. Основные теории строения атома.3. Квантово-механическая модель атома. Основные положения квантовоймеханики.4. Квантовые числа. Атомные орбитали.5. Выводы.СилыВан-дер-Ваальса(голланд.ученый,1873г.)–силымежмолекулярного взаимодействия (взаимодействия между молекулами),проявляющиеся на расстояниях, превосходящих размеры частиц.Различают три составляющие вандерваальсовых сил в зависимости отприроды системы.1. Ориентационная составляющая или диполь-дипольное взаимодействиеЕор – электростатическое взаимодействие полярных молекул присближении (рис.а)Еор увеличивается с увеличением мол и уменьшением расстояния междумолекулами.

Чем выше температура, тем Еор – меньше.2. Индукционная составляющая Еинд- электростатическое взаимодействие полярной и неполярной молекулами(рис. b). Еинд ЕорДиполи, действуя на неполярные молекулы, превращают их виндуцированные (наведенные) диполи.

Еинд увеличивается с увеличением мол ,уменьшением расстояния между молекулами и увеличением поляризуемостинеполярной молекулы.3. Дисперсионная составляющая (эффект Лондона) Едис-электростатическое взаимодействие мгновенных диполей, возникающих засчет флуктуации электрической плотности (рис.с).В результатесогласованного (синхронного) движения мгновенных диполей энергия системыпонижается.Едис – энергия взаимодействия мгновенных диполейпропорциональнаполяризуемости молекул и обратно пропорциональна расстоянию междуцентрами частиц.Для неполярных молекул - дисперсионная – единственная из составляющихвандерваальсовых сил.Вклад различных составляющих во взаимодействиевеществодиполя ПолярТкип,КH2ArXeHClHBrHINH30001,030,780,381,5220,276167188206238239,6Энергия взаимодействия,изуемокДж/мольсть,ориент Индук Диспе Сумма330М 10 ацион ционн рсион рнаянаяаяная0,8000,170,171,64008,58,54,160018,418,42,643,31,016,821,13,621,10,7028,530,35,420,60,360,661,52,2313,31,514,729,5Минимальная энергия системы (максим.

Ев) реализуется на расстоянияхмежду центрами молекул 0,4-0,5 нм, т.е. существенно больше длиныхимической связи.Ев – на 1-2 порядка ниже Е химической связи (см. таблицу выше).С увеличением размера молекул в ряду Аr – Хе и НСl – НI растет ихполяризуемость и Едис (см.

таблицу выше).С увеличением молекулярной массы растет Едис (см. таблицу выше).Еор вносит значительный вклад в Ев для молекул с большим дип. (см. таблицувыше).С увеличением ЕввозрастетТкип жидкостей, а также теплота ихпарообразования. (см. таблицу выше).ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬВзаимодействие между положительно поляризованным водородоммолекулы А–Н (или полярной группы -А–Н) и электроотрицательныматомом В (F,N,O) другой или той же молекулы называется водороднойсвязью.Различают межмолекулярную и внутримолекулярную Н-связь■ Межмолекулярная Н-связь:А – Н + В – R  А – Н…В – RПоляризованный водород способен внедряться в электронную оболочкусоседнего отрицательно поляризованного атома.Атомы А и В могут быть одинаковыми:Н+-F- + Н+-F-  H-F…H-F ;а могут быть разными:■ Внутримолекулярная Н-связь:о-нитрофенол (а) салициловый альдегид (б)Е Н-связи возрастает с увеличением ЭО и уменьшением размеров атомов В:► Несмотря на высокую ЭО хлора, Н-связь -Н…Сl- слабая из-за большогоразмера атома хлора► Энергия водородной связи имеет промежуточное значение между энергиейковалентной связи и вандерваальсовых сил.►У воды длина связи О–Н – 0,096 нм, а связи О…Н – 0,177 нм.► Возникновение водородных связей приводит к образованию димеров,тримеров и других полимерных структур, например, зигзагообразных структур(НF)n,► Межмолекулярные Н-связи изменяют свойства веществ: повышаютвязкость, диэлектрическую постоянную, температуру кипения и плавления,теплоту плавления и парообразования.Поэтому соединения Н2О, НF и NН3 имеют аномально высокие Ткип и Тпл(см.

рисунок ниже).ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИОсуществляется, если одна из молекул имеет атом со свободнымиорбиталями, а другая – атом с внешней парой неподеленных электронов.Пример:- между различными молекулами::NH3 + BF3 = NH3.BF3Здесь: суммарная валентность азота равна 4 и бора равна 4.- между одинаковыми молекулами:AlCl3 + AlCl3 = Al2Cl6Донорно-акцепторный механизм образования связей в димере Аl2Cl6.ВЫВОД: Таким образом между молекулами существуют неспецифическиевзаимодействия (силы Ван дер Вальса) и специфические (водородные связи,донорно-акцепторные) взаимодействия.ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХТри основных агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное.Особым состоянием материи является плазменное состояние.В газообразном состоянии: хаотичное движение частиц; кинетическая энергия частиц больше их межмолекулярноговзаимодействия.В жидком состоянии: упорядоченное состояние частиц только в ближайшем соседнемокружении данной частицы, так называемый ближний порядок.Энергия межмолекулярного взаимодействия удерживает частицырядом только на коротких расстояниях. на дальних расстояниях регулярность в расположении частиц несохраняется вследствие броуновского движения.Твердое состояние – кристаллическое и аморфное: кристаллическое - упорядоченное состояние частиц по всемуобъему кристалла, так называемый дальний порядок анизотропия – различие в свойствах по разным направлениям(осям) кристалла. Аморфное – «застывшая жидкость» с зафиксированнойхаотичностью изотропность аморфных тел, т.

е. однородность свойств вразличных пространственных направленияхВ реальных условиях при комнатной температуребольшинство веществ находится в твердом состоянии.При этом - для большинства твердых веществ наиболее устойчиво ипрактически важно кристаллическое состояние.СвойстваОбъемФизическое состояниегазообразноежидкоетвердоеСовпадает собъемом сосуда Фиксированны ФиксированнйыйЗависимостьобъема оттемпературы Высокаяи давленияФормаСжимаемостьПринимаетформу сосудаВысокаяМалаяМалаяЗаполняетсосудФиксированнаполностью или ячастичноНезначительнаяПрактическиотсутствуетПри обычныхтемпературахотсутствуетТекучестьОчень высокаяВысокаяДиффузияБыстраяМедленнаяПлотностьНизкаяОт умереннойдо большойОченьмедленнаяБольшаяПримеры: стекла, полимеры, смолы – вещества в аморфном состоянииНекоторые вещества получают как в аморфном, так и кристаллическомсостоянии.Примеры: простые вещества – селен (Sе), сера (S), кремний (Si), серебро(Аg); сложные – некоторые оксиды (В2О3, SiО2 и другие), сульфиды, карбонаты,сложные неорганические соединения.Кристаллическое состояние.Основной характерной чертой кристаллического состояния являетсяобязательное наличие дальнего порядка, т.

е. регулярного, периодическиповторяющегося расположения частиц вещества по всему объемукристалла.Пространственную структуру кристаллических тел принято рассматриватьв виде кристаллической решетки с периодически повторяющимися частицамив узлах этой решетки.Для монокристаллов, не имеющих нарушений в регулярностикристаллической решетки по всему объему, характерна анизотропия, т.е.отличие свойств кристалла в различных направлениях.Энергия кристаллической решетки – это энергия, необходимой для удалениячастиц, составляющих решетку на расстояния, превышающие пределы ихвзаимодействия, в расчете на 1 моль вещества. (Размерность кДж/моль)Типы кристаллов в соответствии с природой частиц в узлах кристаллической решетки, итипом взаимодействия между ними четыре основных вида:молекулярные, ионные, атомные и металлические.Молекулярные кристаллы.В узлах кристаллических решеток молекулярных кристаллов находятсяиндивидуальные молекулы, которые связаны между собой относительнослабыми силами Ван-дер-Ваальса – ориентационными, индукционными,дисперсионными, а иногда – водородными связями.Пример: твердые Н2, N2, О2, Сl2, СО2, СН4, SiCl4, МоF5, НСl, Н2О, многиеорганические кристаллы, кристаллические решетки благородных одноатомныхгазов (Ar, Хе).Молекулярные кристаллы характеризуются низкими энергиямикристаллических решеток, малой механической прочностью – легкоразрушаются, низкими температурами плавления – особенно у неполярныхмолекул.

Не проводят электрический ток (диэлектрики).-Наличие ориентационной составляющей (полярные молекулы)- более высокая прочность и температура плавления.-Наличие между молекулами в кристалле водородных связей (Н2О, NH3, НF) более высокая энергия кристаллической решетки, прочность и температураплавления.Ионные кристаллы.В узлах кристаллических решеток ионных кристаллов находятсяположительные и отрицательные ионы, связанные между собой ионнойсвязью, с достаточно высокой энергией.Вследствиененаправленностииненасыщаемостимежионноговзаимодействия расположение ионов в кристаллической решетке зависиттолько от размеров ионов и величины их заряда.Типичные представители - соли: NaCl, СsCl, СаF2, КNO3, и т. д.Относительно высокие значения энергии кристаллической решетки,высокие температуры плавления .Твердые, но хрупкие.

Диэлектрики.Атомные кристаллы.В узлах кристаллических решеток располагаются атомы, связанныепрочными ковалентными связями.Высокая энергия кристаллической решетки, высокие прочность итемпературы плавления.Классический пример: алмаз, имеющий в узлах sр3-гибридизованный атомуглерода (С).Алмаз обладает исключительно высокой твердостью, одной из самыхвысоких температур плавления, является диэлектриком, к.ч. углеродаравно 4.Алмазоподобную структуру имеют кремний (Si), силицид кремния (SiС);к атомным кристаллам принадлежат некоторые нитриды, например, нитридбора (ВN).Диэлектрики (алмаз), полупроводники (кремний, германий).Металлические кристаллы.В узлах металлических решеток расположены положительные ионыатомов металлов, имеющих низкие величины электроотрицательности и малыезначения потенциалов ионизации.Металлическая связь осуществляется взаимодействием большого числаобобществленных свободных, делокализованных, электронов внешнихэлектронных оболочек атомов и соответствующих им положительных ионов,образующих кристаллическую решетку.К металлическим кристаллам (металлам) принадлежат большинствоэлементов периодической системы.Металлы отличаются характерным блеском и высокой отражательнойспособностью, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностьюпри механических деформациях.Энергия металлической связи меньше, чем ковалентной.Специфика свойств d- и f-металлов объясняется возможностьювзаимодействия электронов предвнешнего уровня с ионами решетки иповышению таким образом энергии кристаллической решетки.Типы кристаллов и свойства веществСвойствавеществЧастицыТип связеймеждучастицамиЭнергиясвязейТемператураплавленияМеханические свойствамолекулярныеМолекулыВандерваальсовы силы,водородныеТип кристалловатомноионныековалентныеАтомыИоныКовалентныеИонныеНевысокаяВысокаяВысокаяНизкаяВысокаяВысокаяОченьтвердыеОт диэлектриков дополупроводни-ковC, Ge, Si, SiO2,SiCТвердые ихрупкиеМягкиеЭлектрическая проводимостьДиэлектрикиПримерывеществAr, O2, N2,CO2, H2OметаллическиеАтом-ионыМеталлическиеОт средней довысокойОт низкой довысокойОт мягких доочень твердыхДиэлектрикиЭлектроннаяKCl, CaF2,Na2CO3Li, Ca, Zn, NiКристаллы с несколькими типами связи.В большинстве реальных кристаллов - несколько типов связи.Не существует чисто ионной или ковалентной связи.