Р. Моррисон, Р. Бойд - Органическая химия (1125875), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Физические свойства нового соединения являются ключом для установления его строения. И наоборот, знание строения соединения часто позволяет предсказать его физические свойства, При попытках синтеза нового соединения следует составить план проведения реакций, позволяющих из имеющегося соединения получить необходимое вещество. Кроме того, следует предложить метод отделения этого вещества от всех других соединений, содержащихся в реакционной смеси: непрореагировавших исходных веществ, растворителя, катализатора, побочных продуктов.

Обычно выделение и очистка вещества требуют гораздо .Задача 1ли Какие нз двух указанных ниже возможных структур СС1з также должны оылн бы нмсть днпольный момент, равный нулю? а) Углерод расположей в центре квадрата, .по углам которого находятся атомы хлора. б) Углерод расположен в вершине четырехгранной пирамиды, а атомы хлора — в углах основания. Задача 1.б. Хотя связи углерод — кислород н бор — фтор должны быть полярными, днпольный момент соеднненнй СОз н Вгз равен нулю. Предложите расположение атомов для каждого соедннення, обусловливающее нулевой днпольный момент.

Строение и свойства ~ 1 больше времени н усилий, чем его получение. Легкость выделения вещества с помощью перегонки зависит от его температуры кипения и температур кипения примесей; выделение кристаллизацией зависит от его растворимости в различных растворителях и растворимости примесей. И успех часто зависит от правильного предсказания физических свойств соединения. Мы видели, что существует два крайних типа химической связи: ионные связи, образующиеся при переносе электрона, и ковалентные связи, образующиеся за счет общей пары электронов.

Физические свойства соединения в значительной степени зависят от типа связи атомов в молекуле. 1.15. Температура плавления В кристаллическом твердом веществе частицы, являющиеся структурными единицами, — ионы или молекулы — расположены в определенном симметричном порядке; существует геометрический шаблон, повторяющийся в кристалле. Рис.

1.11. Плавление ионного кристалла. Структурными единицами являются ионы. Плавление представляет собой процесс изменения упорядоченного расположения частиц в кристаллической решетке в более беспорядочное расположение, характерноедля жидкости (рис. 1.11 и 1.12). Плавление происходит Рис. 1.12. Плавление неионного соединения. Структурными единицами являются молекулы.

при той температуре, когда тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть силы внутри кристалла, удерживающие частицы в определенном положении. Ионное соединение образует кристаллы, в которых структурными единицами являются ионы. Твердый хлористый натрий, например, построен из регулярно чередующихся положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора. Каждый положительно заряженный иои окружен отрицательно заряженными ионами, находягцимися от него иа равном расстоянии: по одному с каждой стороны, по одному сверху и снизу, цо одному спереди и сзади.

Аналогично каждый отрицательно заря- Строение и свойства 29 жениый ион окружен шестью положительными ионами. Нет ничего, что можно было бы„строго говоря, назвать малекулой хлористого натрия. Какой-то определенный ион натрия не «принадлежит» какому-то определенному иону хлора; он в равной мере притягивается шестью ионами хлора. Кристалл представляет собой исключительно прочную жесткую структуру, поскольку электростатические силы, удерживающие каждый ион в определенном положении, велики. Этн значительные межионные силы можно преодолеть только прн очень высокой температуре, "хлористый натрий плавится при 801'С.

Кристаллы других ионных соединений аналогичны кристаллам хлористого натрия, поскольку они имеют ионную кристаллическую решетку, хотя точное геометрическое расположение может быть иным. Зтн ионные соединения также плавятся при очень высокой температуре. Многие соединения содержат как ионные, так и ковалентные связи.

Например, нитрат калия КИО состоит из ионов К+ и ИО», .в ионе ИО~ азот и кислород связаны ковалентными связямн. Физические свойства таких соединений в основном определяются ионными связями; физические свойства нитрата калия аналогичны свойствам хлористого натрия. Ненонные соединения, т. е. соединения, в которых атомы связаны ковалентными связями, образуют кристаллы, в которых структурными единицами являются молекулы. Для того чтобы вещество расплавилось, необходимо преодолеть силы, удерживающие эти молекулы вместе. Как правило, эти межмолекулярньм силы очень слабы по сравнению с силами, которые удерживают вместе ионы.

Чтобы расплавить хлористый натрий, необходима энергия разрыва ионных связей между Иа+ и С1-. Чтобы расплавить метан СН, нет необходимости сообщать системе энергию разрыва ковалеитных связей углерод — водород, а необходима только энергия отрыва молекул метана друг от друга. В противоположность хлористому натрию метан плавится при — 183 'С, 1.1б.

Межмолекулярные силы Какие же силы удерживают нейтральные молекулы друг около друга? Эти силы, так же как и межионные~ильь по своей природе являются, повидимому, электростатическими: происходит притяжение положительного и отрицательного зарядов. Существует два типа межмолекулярных сил: диполь-дипольное взаимодействие н вандерваальссвы силы.

Диполь-дипольное взаимодействие представляет собой притяжение положительного конца одной полярной молекулы отрицательным концом другой. Например, в хлористом водороде относительно положительный водород одной молекулы притягивается относительно отрицательным хлором другой В результате диполь-дипольиого взаимодействия полярные молекулы притягиваются друг к другу сильнее, чем неполярные молекулы, имеющие примерно такой же молекулярный вес; это различие межмолекулярных сил находит отражение в физических свойствах рассматриваемых соединений (в разд.

15.5 обсуждается наиболее сильное диполь-дипольное взаимодействие — водородная связь). В неполярном соединении также должны существовать межмолекулярные силы, поскольку даже такие соединения могут быть твердыми. Такие силы называются вандерваальсоаыми силами. Существование таких сил объяс- Строение и свойства няегся при помощи квантовомеханических расчетов. Грубо нх можно представить следующим образом. Среднее распределение заряда, например, в молекуле метана симметрично, так что в результате суммарный дипольный момент равен нулю.

Однако электроны движутся, и в какой-то момент времени нх распределение изменяется и возникает небольшой диполь. Этот кратковременный диполь будет влиять на распределение электронов в соседней молекуле метана. Отрицательный конец днполя стремится оттолкнуть злектроны, а положительный — притянуть; таким образом, диполь индуцирует противоположно ориентированный диполь в соседней молекуле. Несмотря на то что эти моментальные и наведенные диполи постоянно меняются, между молекулами все же возникает притяжение. Эти вандерваальсовы силы действуют на очень небольшом расстоянии и только между соприкасающимися молекулами, т. е. между поверхностями молекул, Зависимость между вандерваальсовыми силами и величиной поверхности молекул (разд. 4.14) помогает понять влияние размера и формы молекулы на физические свойства.

По отношению к другим атомам, с которыми он не связан (в другой молекуле нли в другой части той же молекулы), каждый атом имеет эффективный «размер», называемый его валдерваальспвым радиусом. По мере сближения двух несвязанных атомов притяжение между ними постепенно возрастает и достигает максимума, когда они почти «касаются» друг друга, т. е. расстояние между ядрами равно сумме ваидерваальсовых радиусов. Далее, если атомы сблизить больше, то очень быстро вандерваальсово притяжение сменяется вандерваальсовым отталкиванием.

Таким образом, несвязанные атомы стремятся сблизиться до расстояния, равного сумме их вандерваальсовых радиусов, но сильно сопротивляются дальнейшему сжатию. Вандерваальсовы силы притяжения и отталкивания имеют значение для понимания строения молекул. 1.17. Температура кипения Хотя в жидкости частицы менее упорядочены и их движение свободнее, чем в кристалле, каждая частица притягивается рядом других частиц. Кипение представляет собой процесс вырывания из жидкости отдельных Рнс.

1.13. Кипение ионного соединения. Структурными единицами являются ионы и ионные пары. частиц или пар противоположно заряженных ионов (рнс. 1.13 и 1.14). Это происходит, когда достигается температура, прн которой тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть когезионные силы, удерживающие нх в жидкости. 1 ~ Строение и свойства В жидком состоянии ионные соединения существуют в виде ионов. Каждый ион сильно удерживается несколькими противоположно заряженными ионами. И в этом случае нельзя говорить собственноо молекуле.

Для того чтобы вырвать пару противоположно заряженных ионов из жидкости, требуется большое количество энергии„поэтому кипение происходит только при очень высоких температурах. Например, температура кипения хлористого натрия 1413'С. В газообразном состоянии имеется иопнан пара, которую можно рассматривать как молекулу хлористого натрия. В жидком состоянии частицей неионного соединения является молекула.

Характеристики

Список файлов книги