§ 25. Строение неорганических и органических веществ

В зависимости от физических условий (температуры и дав­ления) вещества могут существовать в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом (кристаллическом и аморфном), плазменном.

Плазменное состояние достигается при высоких темпера­турах, когда вещества испаряются, распадаются на атомы, ко­торые превращаются в ионы. Таким образом, плазма — это ионизированный газ.

В газах расстояния между частицами (атомами, молеку­лами) большие. Вследствие этого газообразное состояние ха­рактеризуется слабым взаимодействием частиц и неупорядо-

ченным их расположением (частицы свободно перемещаются и занимают весь предоставленный им объем).

В жидкостях частицы расположены значительно ближе друг к другу, поэтому взаимодействие между ними сильнее, чем в газах. Структура жидкости характеризуется определен­ным порядком в расположении частиц, однако он постоянно меняется вследствие теплового движения частиц.

Наиболее упорядоченным является кристаллическое состо­яние.

Кристаллические решетки. Почти все твердые вещества имеют кристаллическое строение. Структура кристаллических веществ может быть представлена при помощи кристалличес­кой решетки — определенного пространственного расположе­ния частиц (атомов, молекул, ионов). В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах решетки и от природы хи­мической связи частиц в кристалле, различают ионные, атом­ные, молекулярные и металлические кристаллические решет­ки (рис. 25).

В узлах ионных кристаллических решеток находятся поло­жительно и отрицательно заряженные ионы, как простые, на­пример №⁺ и СГ, так и сложные, напримерМН^, N0^, §О₄~. Они связаны друг с другом силами электростатического притя­жения, т. е. в ионных кристаллах существует ионная связь. К соединениям с ионными решетками относятся большинство солей и некоторые оксиды.

В узлах атомных кристаллических решеток находятся ато­мы, связанные между собой ковалентной химической связью (алмаз, диоксид кремния и др.).

Много веществ с молекулярной кристаллической решет­кой, в узлах которой располагаются молекулы, связанные меж­ду собой силами межмолекулярного взаимодействия. Это не­металлы, кроме углерода и кремния (водород, кислород, азот, инертные газы), почти все органические вещества и многие неорганические соединения (диоксид углерода, озон, вода и др.).

В узлах металлических кристаллических решеток распо­ложены отдельные атомы и положительно заряженные ионы металла, между которыми находится электронный газ (рис. 25, г).

Менее распространено для твердых тел аморфное состоя­ние. В отличие от кристаллических тел вещества в аморфном состоянии не имеют строго регулярного упорядоченного строения и определенной температуры плавления (при нагре­вании они размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние).

Различие в типе химической связи кристаллов определяет существенное отличие физических и химических свойств ве­ществ с разными кристаллическими решетками. Так, вещества с атомной кристаллической решеткой характеризуются высо­кой твердостью, тугоплавкостью, нерастворимостью практи­чески ни в каких растворителях.

Вещества с молекулярной кристаллической решеткой, на­против, легкоплавки, летучи, характеризуются небольшой твердостью. Причина в том, что силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее, чем силы ковалентной связи.

Вещества с ионными кристаллическими решетками по прочности занимают промежуточное положение: уступают веществам с атомной решеткой, но превосходят вещества с молекулярной решеткой. Они обладают сравнительно высокой температурой плавления, как правило, нелетучи.

Зависимость свойств кристаллических веществ от типа хи­мической связи между частичками показаны в табл. 4.

Таблица 4. Физические свойства кристаллов

Теория химического строения. Понятие «химическое строение» впервые ввел А. М. Бутлеров в 1861 г. Он отмечал, что свойства веществ определяются не только их составом

Гидроксильная группа, в свою очередь, влияет на бензоль­ное ядро, облегчая замещение в нем атомов водорода:

АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ БУТЛЕРОВ

(1828—1886)

Русский химик-органик, профессор Казан­ского (1854—1868), а затем до конца жизни профессор Петербургского университетов, академик Петербургской АН (с 1871). Почет­ный член Московского и Киевского универ­ситетов. Глава большой школы русских хими­ков-органиков. Создал и обосновал теорию хи­мического строения. Первым объяснил явле­ние изомерии. Получил изобутилен и открыл реакцию его полимеризации. Синтезировал ряд органических соединений, в том числе

осуществил первый в истории химии синтез сахаристого вещества (1861).

Его труды по гидратации этилена легли в основу одного из современных

способов получения этилового спирта.

(качественным и количественным), как считалось раньше, но и внутренней структурой молекул, т. е. порядком соединения между собой атомов, входящих в состав молекулы. Этот поря­док и является химическим строением молекулы.

В понятие «химическое строение» А. М. Бутлеров включал также характер связи атомов и их взаимное влияние друг на друга. Например, водород и кислород, образовавшие воду, на­столько изменились от взаимного влияния, что вода уже не имеет свойств ни водорода, ни кислорода, из которых она об­разовалась, хотя и содержит элементы водород и кислород, входившие ранее в исходные простые вещества.

В молекуле фенола С₆Н₅ОН бензольное ядро влияет на гидроксильную группу, усиливая ее кислотность (аналогия со спиртами):

Так, на примерах из неорганической и органической химии мы наблюдаем взаимное влияние атомов.

Вы уже знаете, что химическое строение молекул выра­жают с помощью структурных формул.

I Структурные формулы показывают порядок I связи атомов в молекуле, но не отображают ! I взаимного расположения их в пространстве.

Структурные формулы всегда записывают для отдельной молекулы, обозначая черточкой каждую связывающую элект­ронную пару. Они справедливы только для веществ молеку­лярного строения. К таким веществам относятся большинство органических соединений, кислородсодержащие кислоты (кроме НРО₃ и Н₂8Ю₃) и некоторые оксиды неметаллов (СО, СО₂, N0, 1МО₂, 8О₂, Н₂0 и др.). Так, структурные формулы серной и уксусной кислот

передают порядок расположения атомов в молекулах этих кислот.

Структурные формулы не следует путать с устаревшим графическим изображением формул, где черточкой изображается не общая электронная пара, а степень окисления элемента. Например, графическое изображение

Например, вам предлагают определить свойства хлорида калия КС1. Зная, что это вещество с ионной связью, в кристал­лах которого между ионами К⁺ и СГ действуют кулоновские силы притяжения, обеспечивая прочную связь, вы приходите к выводу, что хлорид калия — твердое вещество, тугоплавкое, нелетучее (малолетучее). Либо вам предлагают, например, сравнить вещества — фторид натрия №Р, фтор Р₂ ^и фторо-водород НР и предсказать, какое из них будет наиболее туго­плавким, а какое — самым легкоплавким.

Вы сразу же обращаете внимание на состав и строение этих веществ. Фторид натрия №Р состоит из атомов натрия и фто­ра, которые резко отличаются друг от друга своей электро­отрицательностью. Атом фтора как более электроотрицатель­ный оттягивает на себя единственный электрон с внешней электронной оболочки атома натрия, в результате чего возни­кают ионы. Значит, это соединение с ионной связью. Отсюда следует, что в узлах кристаллической решетки находятся ионы N3 и фтора Р~. Между ними действуют электростатические силы притяжения, которые сравнительно велики. Поэтому, чтобы расплавить фторид натрия, нужно эти силы преодолеть, разрушить кристаллическую решетку. А это означает, что тем­пература плавления фторида натрия должна быть высокой.

Проанализируем теперь молекулу фтора Р₂. Она состоит из одинаковых атомов, с одинаковой электроотрицательностью, значит, химическая связь ковалентная неполярная. В узлах кристаллической решетки фтора находятся неполярные моле­кулы Р₂. Межмолекулярные силы сцепления слабые. Следо­вательно, фтор должен иметь низкую температуру плавления.

Молекула фтороводорода НР состоит из атомов разных хи­мических элементов, но оба они — неметаллы. Значит, связь между ними ковалентная, но сильно полярная, т. к. электро­отрицательность фтора значительно выше, чем у водорода. Силы сцепления между полярными молекулами фтороводо­рода НР значительно больше, чем между неполярными моле­кулами фтора Р₂. Поэтому температура плавления фторово­дорода НР должна быть выше, чем у фтора Р₂, но гораздо ниже, чем у фторида натрия №Р — ионного соединения.

Когда вы приступили к изучению органических веществ, то обнаружили, что закономерность о зависимости свойств ве­ществ от их состава и строения особенно ярко проявляется на примере органических соединений. Проявлению этой законо­мерности способствует теория химического строения, на осно­ве которой вы изучали органические вещества. Эта теория и раскрыла новую сторону связи между составом, строением и свойствами веществ.

Так, например, если вам предлагают сравнить свойства пропилена и пропана то вы прежде всего обра-

щаете внимание на состав и строение этих соединений. Ка­чественный состав у них одинаков: эти вещества состоят из атомов углерода и водорода. Но количественный состав раз­личен: на одно и то же число атомов углерода (на три) при­ходится разное число атомов водорода 6 и 8. В молекуле про­пилена не хватает двух атомов водорода до полного насыще­ния всех валентностей атомов углерода. Значит, пропи­лен — непредельный углеводород с одной двойной связью . В молекуле же пропана все валентности атомов углерода полностью насыщены атомами водорода, поэтому связи в молекуле ординарные, т. е. простые

Различие в строении молекул этих углеводородов обус­ловливает различие и в их химических свойствах. Так, про­пилен легко окисляется перманганатом калия КМпО₄ (фио­летовая окраска раствора быстро исчезает), а пропан, будучи насыщенным углеводородом, при этих условиях не окис­ляется.

Пропилен за счет двойной связи вступает в реакции соеди­нения — присоединяет водород, галогены и галогеноводо-роды:

Молекулы пропилена благодаря двойной связи могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи молекул:

Метан используют как сырье для получения водорода, необходимого для синтеза аммиака и реакций гидрирования в органическом синтезе:

Пропан в реакции соединения с другими веществами и в реакцию полимеризации не вступает, поскольку атомы угле­рода в его молекуле уже полностью проявили свою валент­ность, и у них нет больше электронов для установления до­полнительных ковалентных связей. Он полностью насыщен атомами водорода.

Однако есть и общее свойство у пропана и пропилена — их горючесть:

Оно объясняется одинаковым качественным составом этих углеводородов (углерод и водород).

Применение веществ зависит от тех свойств, которыми они обладают. Так, если кислород обладает свойством поддержи­вать горение и дыхание, то и расходуется он главным образом при сжигании топлива, выплавке чугуна, при резке и сварке металлов, в медицине.

Если метан, например, способен гореть, выделяя огромное количество теплоты, то и используется он в качестве топлива в быту и на производстве. Но в последнее время метан все боль­ше применяют как химическое сырье, что также орновано на его свойствах. Так, способность метана разлагаться на простые вещества при сильном нагревании используется для произ­водства сажи, применяемой для получения печатной краски и резиновых изделий из каучука:

Способность метана вступать в реакции хлорирования ис­пользуется для получения хлорпроизводных метана:

Обоснуйте условия, при которых происходят реакции разложе­ния метана, синтеза аммиака, гидрирования олеиновой кислоты, хлорирования метана.

Все хлорпроизводные метана находят практическое приме­нение. Так, хлорметан используется в качестве хладо-агента в холодильных установках. Остальные хлорпроизвод­ные метана — дихлорметан , трихлорметан (хлоро­форм) и тетрахлорметан — применяются как рас­творители. Кроме того, тетрахлорметан используют для гашения огня в тех случаях, когда для этого нельзя применить воду. Образующийся при хлорировании метана хлороводород используется для получения соляной кислоты

Следовательно, помните, надо всегда стараться устанав­ливать связь между составом, строением, свойствами и приме­нением вещества. В этом состоит основа осознанности ваших знаний, значит, и залог успеха в обучении.

Задания для самоконтроля

173. Сравните насыщенные и ненасыщенные (этиленовые) угле­ водороды и отметьте, что общего и чем они различаются.

174. Расскажите о применении этилена. На каких химических свойствах этилена оно основано?

175. Составьте уравнения реакций горения метана, этилена, аце­ тилена и вспомните, каким пламенем они горят. На основании со­ става этих углеводородов объясните такое химическое свойство аце­ тилена, как способность гореть коптящим пламенем.

176. На каких свойствах этилового спирта основано его приме­ нение?

177*. Покажите влияние строения молекул на свойства веществ на примере бромирования бензола и фенола.

178*. Почему оксид углерода(1У) и оксид кремния(1У) обладают разл-ичными физическими свойствами?

179*. Напишите структурные формулы двухатомного спирта этиленгликоля и угольной кислоты. Сравните строение их молекул и объясните, почему угольная кислота в свободном виде не сущест­вует.

180*. Сравните химические свойства двух жидкостей — гексана С₆Н_]4 и бензола С₆Н_б. Объясните, как состав и строение молекул сказываются на свойствах этих веществ.