Όπως γνωρίζετε, η χημεία μελετά τη δομή και τις ιδιότητες των ουσιών, καθώς και τους αμοιβαίους μετασχηματισμούς τους. Σημαντική θέση στον χαρακτηρισμό των χημικών ενώσεων κατέχει το ερώτημα από τι είδους σωματίδια αποτελούνται. Μπορεί να είναι άτομα, ιόντα ή μόρια. Στα στερεά, εισέρχονται στους κόμβους των κρυσταλλικών δικτυωμάτων. Η μοριακή δομή έχει σχετικά μικρό αριθμό ενώσεων σε στερεά, υγρή και αέρια κατάσταση.
Στο άρθρο μας, θα δώσουμε παραδείγματα ουσιών που χαρακτηρίζονται από μοριακά κρυσταλλικά πλέγματα και επίσης θα εξετάσουμε διάφορους τύπους διαμοριακών αλληλεπιδράσεων χαρακτηριστικών στερεών, υγρών και αερίων.
Γιατί πρέπει να γνωρίζετε τη δομή των χημικών ενώσεων
Σε κάθε κλάδο της ανθρώπινης γνώσης, μπορεί κανείς να ξεχωρίσει μια ομάδα θεμελιωδών νόμων στους οποίους βασίζεται η περαιτέρω ανάπτυξη της επιστήμης. στη χημεία- αυτή είναι η θεωρία του M. V. Lomonosov και J. D alton, εξηγώντας την ατομική και μοριακή δομή της ύλης. Όπως έχουν διαπιστώσει οι επιστήμονες, γνωρίζοντας την εσωτερική δομή, είναι δυνατό να προβλεφθούν τόσο οι φυσικές όσο και οι χημικές ιδιότητες της ένωσης. Όλη η τεράστια ποσότητα οργανικών ουσιών που συντίθενται τεχνητά από τον άνθρωπο (πλαστικά, φάρμακα, φυτοφάρμακα κ.λπ.) έχουν προκαθορισμένα χαρακτηριστικά και ιδιότητες που είναι πολύτιμες για τις βιομηχανικές και οικιακές του ανάγκες.
Η γνώση σχετικά με τα χαρακτηριστικά της δομής και των ιδιοτήτων των ενώσεων είναι ζητούμενη κατά τη διεξαγωγή τμημάτων ελέγχου, δοκιμών και εξετάσεων στο μάθημα της χημείας. Για παράδειγμα, στον προτεινόμενο κατάλογο ουσιών, βρείτε τις σωστές απαντήσεις: ποια ουσία έχει μοριακή δομή;
- Ψευδάργυρος.
- οξείδιο μαγνησίου.
- Diamond.
- Ναφθαλίνη.
Η σωστή απάντηση είναι: ο ψευδάργυρος έχει μοριακή δομή, όπως και η ναφθαλίνη.
Δυνάμεις διαμοριακής αλληλεπίδρασης
Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι η μοριακή δομή είναι χαρακτηριστική ουσιών με χαμηλά σημεία τήξης και χαμηλή σκληρότητα. Πώς μπορεί κανείς να εξηγήσει την ευθραυστότητα των κρυσταλλικών δικτυωμάτων αυτών των ενώσεων; Όπως αποδείχθηκε, όλα εξαρτώνται από τη δύναμη της κοινής επιρροής των σωματιδίων που βρίσκονται στους κόμβους τους. Έχει ηλεκτρική φύση και ονομάζεται διαμοριακή αλληλεπίδραση ή δυνάμεις van der Waals, οι οποίες βασίζονται στην επίδραση αντίθετα φορτισμένων μορίων - διπόλων - μεταξύ τους. Αποδείχθηκε ότι υπάρχουν αρκετοί μηχανισμοί για το σχηματισμό τους,ανάλογα με τη φύση της ίδιας της ουσίας.
Οξέα ως ενώσεις μοριακής σύνθεσης
Τα διαλύματα των περισσότερων οξέων, οργανικών και ανόργανων, περιέχουν πολικά σωματίδια που είναι προσανατολισμένα μεταξύ τους με αντίθετα φορτισμένους πόλους. Για παράδειγμα, σε ένα διάλυμα υδροχλωρικού οξέος HCI υπάρχουν δίπολα, μεταξύ των οποίων συμβαίνουν προσανατολιστικές αλληλεπιδράσεις. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, τα μόρια υδροχλωρικού, υδροβρωμικού (HBr) και άλλων οξέων που περιέχουν αλογόνο έχουν μείωση στο φαινόμενο προσανατολισμού, καθώς η θερμική κίνηση των σωματιδίων παρεμβαίνει στην αμοιβαία έλξη τους. Εκτός από τις παραπάνω ουσίες, η σακχαρόζη, η ναφθαλίνη, η αιθανόλη και άλλες οργανικές ενώσεις έχουν μοριακή δομή.
Πώς παράγονται τα επαγόμενα φορτισμένα σωματίδια
Νωρίτερα, εξετάσαμε έναν από τους μηχανισμούς δράσης των δυνάμεων Van der Waals, που ονομάζεται προσανατολιστική αλληλεπίδραση. Εκτός από τις οργανικές ουσίες και τα οξέα που περιέχουν αλογόνο, το οξείδιο του υδρογόνου, το νερό, έχει μοριακή δομή. Σε ουσίες που αποτελούνται από μη πολικά, αλλά επιρρεπή στο σχηματισμό διπόλων, μόρια, όπως το διοξείδιο του άνθρακα CO2, μπορεί κανείς να παρατηρήσει την εμφάνιση επαγόμενων φορτισμένων σωματιδίων - διπόλων. Η πιο σημαντική ιδιότητά τους είναι η ικανότητα να έλκονται μεταξύ τους λόγω της εμφάνισης ηλεκτροστατικών δυνάμεων έλξης.
Μοριακή δομή αερίου
Στην προηγούμενη υπότιτλο, αναφέραμε την ένωση διοξείδιο του άνθρακα. Κάθε άτομό του δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω του, το οποίο προκαλείπόλωση ανά άτομο ενός κοντινού μορίου διοξειδίου του άνθρακα. Μεταβάλλεται σε ένα δίπολο, το οποίο, με τη σειρά του, γίνεται ικανό να πολώσει άλλα σωματίδια CO2. Ως αποτέλεσμα, τα μόρια έλκονται μεταξύ τους. Η επαγωγική αλληλεπίδραση μπορεί επίσης να παρατηρηθεί σε ουσίες που αποτελούνται από πολικά σωματίδια, ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ πιο αδύναμη από τις δυνάμεις προσανατολισμού van der Waals.
Αλληλεπίδραση διασποράς
Τόσο τα ίδια τα άτομα όσο και τα σωματίδια που τα αποτελούν (πυρήνας, ηλεκτρόνια) είναι ικανά για συνεχή περιστροφική και ταλαντωτική κίνηση. Οδηγεί στην εμφάνιση διπόλων. Σύμφωνα με την έρευνα της κβαντικής μηχανικής, η εμφάνιση στιγμιαίων διπλά φορτισμένων σωματιδίων συμβαίνει τόσο σε στερεά όσο και σε υγρά συγχρονισμένα, έτσι ώστε τα άκρα των μορίων που βρίσκονται κοντά να αποδεικνύονται με αντίθετους πόλους. Αυτό οδηγεί στην ηλεκτροστατική τους έλξη, που ονομάζεται αλληλεπίδραση διασποράς. Είναι χαρακτηριστικό όλων των ουσιών, εκτός από αυτές που βρίσκονται σε αέρια κατάσταση, και των οποίων τα μόρια είναι μονοατομικά. Ωστόσο, δυνάμεις van der Waals μπορούν να προκύψουν, για παράδειγμα, κατά τη μετάβαση αδρανών αερίων (ηλίου, νέον) στην υγρή φάση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Έτσι, η μοριακή δομή των σωμάτων ή των υγρών καθορίζει την ικανότητά τους να σχηματίζουν διάφορους τύπους διαμοριακής αλληλεπίδρασης: προσανατολιστική, επαγόμενη ή διασπορά.
Τι είναι η εξάχνωση
Μοριακή δομή ενός στερεού, όπως οι κρύσταλλοι ιωδίου,προκαλεί ένα τόσο ενδιαφέρον φυσικό φαινόμενο όπως η εξάχνωση - εξάτμιση των μορίων I2 με τη μορφή ιωδών ατμών. Εμφανίζεται από την επιφάνεια μιας ουσίας στη στερεά φάση, παρακάμπτοντας την υγρή κατάσταση.
Αυτό το οπτικά εντυπωσιακό πείραμα γίνεται συχνά στις σχολικές τάξεις χημείας για να απεικονίσει τα δομικά χαρακτηριστικά των μοριακών κρυσταλλικών δικτύων και τις σχετικές ιδιότητες των ενώσεων. Συνήθως πρόκειται για χαμηλή σκληρότητα, χαμηλά σημεία τήξης και βρασμού, κακή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και πτητικότητα.
Πρακτική χρήση γνώσεων σχετικά με τη δομή των ουσιών
Όπως είδαμε, μπορεί να καθοριστεί μια ορισμένη συσχέτιση μεταξύ του τύπου του κρυσταλλικού πλέγματος, της δομής και των ιδιοτήτων της ένωσης. Επομένως, εάν τα χαρακτηριστικά μιας ουσίας είναι γνωστά, τότε είναι αρκετά εύκολο να προβλεφθούν τα χαρακτηριστικά της δομής της και η σύνθεση των σωματιδίων: άτομα, μόρια ή ιόντα. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται μπορεί επίσης να είναι χρήσιμες εάν σε εργασίες στη χημεία είναι απαραίτητο να επιλεγούν σωστά ουσίες που έχουν μοριακή δομή από μια συγκεκριμένη ομάδα ενώσεων, εξαιρουμένων εκείνων που έχουν ατομικούς ή ιοντικούς τύπους πλέγματος.
Συνοψίζοντας, μπορούμε να συμπεράνουμε τα εξής: η μοριακή δομή ενός στερεού σώματος και η χωρική του δομή των κρυσταλλικών δικτύων και η διάταξη των πολωμένων σωματιδίων σε υγρά και αέρια είναι πλήρως υπεύθυνα για τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Από θεωρητική άποψη, οι ιδιότητες των ενώσεων,που περιέχουν δίπολα εξαρτώνται από το μέγεθος των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης. Όσο μεγαλύτερη είναι η πολικότητα των μορίων και όσο μικρότερη είναι η ακτίνα των ατόμων που τα αποτελούν, τόσο ισχυρότερες είναι οι δυνάμεις προσανατολισμού που προκύπτουν μεταξύ τους. Αντίθετα, όσο μεγαλύτερα είναι τα άτομα που συνθέτουν το μόριο, τόσο μεγαλύτερη είναι η διπολική ροπή του και, επομένως, τόσο πιο σημαντικές είναι οι δυνάμεις διασποράς. Έτσι, η μοριακή δομή ενός στερεού επηρεάζει και τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων του - δίπολων.
