50

Физическая и коллоидная химия

Лабораторная работа 1. Рефрактометрия. Строение органических молекул

1.1. Химическая связь. Полярные и неполярные молекулы

Прежде чем говорить о химической связи вспомним понятия об атоме и молекуле.

Атом – наименьшая электронейтральная частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Свойства элементарных частиц, из которых состоит атом, приведены в таблице 1.1.

Из табл. 1.1. следует, что заряд протона по величине равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку. Массы протона и нейтрона одинаковы и в 1840 раз превышают массу покоя электрона. Ядро занимает ничтожную часть пространства внутри атома; если атом имеет размер порядка 10^-10м, то радиусы атомных ядер находится в пределах 10^-15-10^-14м,

Таблица 1.1.

Свойства элементарных частиц, образующих атомы

Частица	Обозначение	Масса покоя, кг	Заряд, Кл
Электрон	е	9.109·10-31	-1,602·10-19
Протон	р	1,673·10-27	1,602·10-19
Нейтрон	n	1.675·10-27	0

т.е. атом в десятки тысяч раз больше ядра. В то же время почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Это указывает на то, что атом практически пустой. Вот почему физики теоретики всерьез рассуждают о том, что вселенную можно сжать в точку.

Так как заряд электрона является минимальной величиной заряда, то этот заряд принят за (-1). И оказалось, что число протонов в ядре, а, следовательно, и число электронов в атоме, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

В современной модели атома состояние в нем электрона определяется четырьмя параметрами – квантовыми числами: главным (n), побочным или орбитальным (l), магнитным (m) и спиновым (s). Сочетание первых трех квантовых чисел (n, l, m) показывает, где в данный момент времени находится электрон в околоядерном пространстве, а спиновое (s) является собственной характеристикой электрона. Оно может принимать только два значения. Электроны, находящиеся на внешних орбитах (атомных орбиталях, энергетических уровнях) различных атомов, могут взаимодействовать при столкновении этих атомов. В результате этого электроны, называемые валентными, «обслуживают» ядра всех взаимодействующих атомов. Такое состояние энергетически выгодно. Между атомами возникает химическая связь, и они создают молекулу. Таким образом, химическая связь между атомами возникает за счет взаимодействия электронов внешних орбит атомов. Следовательно, молекула – наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекула состоит из атомов, между которыми существует химическая связь. Химические свойства молекулы определяются ее составом (атомами) и строением (химическими связями).

Валентные электроны при взаимодействии двух атомов могут распределяться в молекуле АВ симметрично (рис. 1.1,а), и такую химическую связь называют ковалентной неполярной. Центры тяжестей положительных и отрицательных зарядов в такой молекуле совпадают. Когда валентные электроны полностью переходят к одному из атомов возникает ионная связь (рис. 1.1,б). Если валентные электроны в молекуле распределены неравномерно за счет смещения к более электроотрицательному атому, то возникает ковалентная полярная связь. Центры тяжестей отрицательных и положительных зарядов в молекуле не совпадают, между ними возникает некоторое расстояние (l) (рис 1.1, в).

Рис. 1.1. Схемы различных типов химической связи

Полярность молекул характеризуется дипольным моментом :

m = q · l, (1.1)

где q – абсолютное значение зарядов, пропорциональное заряду электрона.

Так как расстояние между атомами в молекулах есть величина порядка 10^-10м, а заряд электрона равен 1,6·10^-19Кл, то дипольные моменты молекул или отдельных химических связей имеют величину порядка 10^-30Кл·м. Часто дипольные моменты приводят в единицах дебая (D): 1D=3,336·10^-30Кл·м.

Если в молекуле несколько полярных связей, то дипольные моменты этих связей суммируют как векторы. Поэтому возможны случаи, когда отдельные связи в молекуле полярны, а суммарный дипольный момент равен нулю (т.е. молекула в целом неполярна). Например, в молекуле СО₂ дипольные моменты (на рис. 1.2. изображены векторами) двух полярных связей С =О взаимно уничтожаются. Молекула же Н₂О полярна, так как она нелинейна, т.е. связи О―Н расположены под углом, не равным 180⁰.

Рис. 1.2. Сложение дипольных моментов связей в молекуле