Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Основы химии. Учебное пособие
.pdf
Изприведенногорядавытекаютдваправила:навнешнемэнергетическомуровнелюбогоатоманеможетбытьбольше8электронови
напредвнешнемэнергетическомуровнелюбогоатоманеможетбыть
больше18электронов.Таккаклюбойвнешнийуровеньнеможетсодержатьболее8электронов, внешние оболочкис 8электронаминазываются завершенными. Они характерны лишь для атомов благородныхгазовиявляютсяоченьустойчивыми.
Зная последовательность заполнения электронами атомных орбиталей, можно понять особенности периодической системы химических элементов. Поскольку каждый период начинается с формирования новой электронной оболочки, то число электронных
оболочеку атома равно номеру периода, в которомнаходитсяатом,
s-иp-элементысоставляютглавныеподгруппытаблицыпериодическойсистемы,d-иf-элементы–побочные.
4.7. Изменение свойств элементов
в периодах и группах
У элементовглавныхподгрупп (этоs- и р-элементы)количество
электроновнавнешнейоболочкеравнономеругруппы.
У всехd-элементов навнешней электроннойоболочкенаходятся
только два электрона, так как у них заполняются d-орбитали предвнешнего слоя. Поэтому они и называются d-элементами. Характер
изменения свойств в периоде у этих элементов будет определяться
преждевсего изменениемсостоянияпредвнешней электронной оболочки.Поэтомууd-элементоввпериодесвойстваизменяютсянетак
резко,какуs-илиp-элементов.Всеd-элементыявляютсяметаллами.
У f-элементов заполняются в основном f-орбитали, которые закрытывосьмиэлектроннойпредвнешнейидвухэлектроннойвнешней
оболочками.Поэтомувлияниеэлектроннойконфигурацииf-оболочки
насвойствахпрактическинеотражается,иf-элементынастолькопохожи,чтоихпомещаютводнуклеткутаблицы.
21
5. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ
Толькоблагородныегазывприродныхусловияхнаходятсявсостоянии одноатомного газа. Свободные атомы остальных элементов образуютнамного более сложныесистемы – молекулы.Этоявлениеназываетсяобразованиемхимическойсвязи.Химическаясвязьвозникает
благодарявзаимодействиюэлектрическихполей,создаваемыхэлектронамии ядрами атомов.Различаютчетыре основныхтипа химических
связей:ковалентную, ионную, металлическуюи водородную.
5.1. Ковалентная связь
Связь атомов посредством общих электронных пар называется
ковален тной связью. Как считают внастоящее время, образование
общих электронных пар происходит между неспаренными электронами, причем они должны иметь разные спины. Атомы, имеющие
неспаренные электроны с параллельными спинами, отталкиваются,
ихимическаясвязьмеждуниминевозникает.
Различаютнеполярную иполярную ковалентнуюсвязь.
При ковалентной неполярной связи электронное облако
распределяется в пространстве на одинаковом расстоянии от ядер
атомов.Такаясвязьвозникаетвмолекулах,состоящихизодинаковых
атомов(например,молекулыводородаикислорода).
При ковалентной полярной связи электронноеоблакосмещено
катомусбольшейэлектроотрицательностью (разница<2,0).
Электроотрицательность– этосвойствоатомовоттягиватьк себе
электроны,связывающиеихсдругимиатомами,т.е.общуюэлектроннуюпару.
Число ковалентных связей, которое способен образовывать некоторый атом, в каждомконкретномслучае ограничено числом тех
валентныхорбиталей,использованиекоторыхдляобразованияковалентных связей оказываетсяэнергетически выгодным.Этосвойство
называетсянасыщаемостью ковалентнойсвязи.
Химическаясвязь, образованная врезультатеперекрыванияэлектронных облаков вдоль условной линии, соединяющей центры атомов,называетсяσ-связью.
Связь,образованнаяприперекрыванииэлектронныхоблаков,расположенных перпендикулярно условной линии, соединяющей центры атомов,называется π-связью. В молекулемогут присутствовать
одновременнокакσ-,такиπ-связи(табл.5.1).
22
Таблица 5.1
F
H
Формы ковалентной связи
Связь Примерысоединений
Одинарная(σ) F−F
Двойная(σ+π) O=O
Тройная(σ+π+π) N≡N
Взаимное расположение связывающих электронных облаков на-
зываетсянаправленностью химическойсвязи.Пространственнаянаправленностьковалентнойсвязихарактеризуетсянекоторымиуглами
междусвязями,которыеназываютсявалентными углами (табл.5.2).
Таблица 5.2
Размеры валентных углов
Типыгибридизацииорбиталей,
участвующихвобразованиисвязи
Валентныеуглы,град
sp 180
2
sp
3
sp
3
sp
d 90,120
3d2
sp
120
109,5
90
Еслиуатома,вступающеговхимическуюсвязь,естьразныеатом-
ныеорбитали(s-,p-,d-),товпроцессеобразованияхимическойсвязи
происходит гибридизация АО (выравнивание по форме и по энер-
гии), что способствует более эффектному их перекрыванию. Представление о гибридизации позволяет установить связь между электроннымстроениеммолекулыиееструктуры(рис.5.1).
F
о
109,5
120
о
B
F
BF
3
треугольная
тетраэдрическая
молекула
Рис.5.1.Примерыобразованиягибридныхсоединений
H
С
CH
4
молекула
HH
23
5.2. Ионная связь
–
Ионной называется связьмежду заряженнымичастицами-ионами,
вкоторыепревращаютсяатомыврезультатеотдачиилиприсоединения
электронов.Вещества,образованныеизионов,называютсяионными.
F–Li
F
Li
–
Рис.5.2.Ионнаясвязь
Ионная связь (рис. 5.2) образуется только между атомами таких
элементов, которые значительно отличаются по своей электроотрицательности (разность >2,0). Однако полного перехода электронов
отоднихатомовк другим не происходит. Следовательно,полностью
ионных соединенийне существует. Вотличие от ковалентной связи
ионнаясвязьнеобладаетнаправленностьюинасыщенностью.
5.3. Металлическая связь
Металламисчитаютсявсеs-элементы,кромеводородаигелия,все
d-иf-элементыинекоторыер-элементы.Металлыобладаютнекото-
рыми специфическими свойствами:отражают свет, имеютвысокую
тепло-иэлектропроводность,довольновысокиетемпературыплавленияи кипения,пластичность итекучесть.Этисвойстваобъясняются
особым типом многоцентровой химическойсвязи у металлов – металлическойсвязью.
Уметаллов атомыимеютбольшоеколичествосвободныхвалентных орбиталей. При сближении атомов электроны начинают свободно перемещаться между положительными ионами, образуя так
называемый электронный газ. Именно благодаря этому явлению
обеспечиваютсястабильностьрешеткиметалловиихспецифические
свойства.
24
Металлическаясвязьнеобладаетпространственнойнаправленно-
F
–
H
F
–
стьюинасыщаемостью,таккаквееобразованиипринимаютучастие
всеатомы.
Энергияметаллическойсвязивнесколькоразменьшеэнергиико-
валентнойсвязи.
5.4. Водородная связь
Водороднуюсвязьмогутобразовыватьтолькотакиевещества,вмолекулахкоторыхатомводородасвязан с электроотрицательнымиатомами. Объясняется возникновение водородной связи действием электростатических сил. Рассмотримводороднуюсвязь в молекулах воды.
Электроны, образующие связи Н–О, смещены к более электроотрицательномуатомукислорода.Ядроатомаводородаимееттолькоодин
электрон,которыйужесмещенкатомукислородаиатомводородапочтиполностью лишается электронной оболочки.Между ними атомом
кислорода,соседнеймолекулыводы возникает некоторое электростатическое притяжение. Это и есть механизм образования водородной
связи. Чем больше электрон водорода оттянут к другому атому, тем
сильнеепротонпритягиваетэлектроныатомасоседнеймолекулы.
ДругимпримеромводороднойсвязиявляетсясвязьмеждумолекуламиHF(рис.5.3).
+
Рис.5.3.Водороднаясвязь
Энергияводороднойсвязиневеликаинапорядокменьшеэнергии
ковалентнойсвязи,чтонемешаетейоказыватьзначительноевлияние
нафизическиеихимическиесвойствамногихвеществ.
Водороднаясвязьможетбытьмежмолекулярной,каквописанных
примерах,ивнутримолекулярной,котораяособенночастопроявляет-
сяворганическихвеществах,вчастностипроизводныхбензола.
H
+
25
6. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
соединения
6.1. Классификация химических реакций
Химические реакции по изменению числа исходныхи конечных
веществподразделяютна(рис.6.1):
разложения
Химические реакции
замещения
обмена
Рис.6.1.Типыхимическихреакций
1. Реакции соединения – реакции, при которыхиз двух илине-
сколькихвеществобразуетсяодноновоевещество:
+HCl=NH4Cl;
NH
3
CaO+CO
2.Реакции разложения – реакции,врезультатекоторыхизодного
веществаобразуетсянескольконовыхвеществ:
Вr=С2Н4+НВr;
С
2Н5
Hg(NO
3)2
3. Реакции замещения – реакции, в результате которых атомы
простоговеществазамещаютатомывмолекулахдругихвеществ:
CuSO4=Сu+ZnSO
Zn+
Сu+4HNO
=Сu(NO3)2+2NO2+2Н2O.
3
4.Реакции обмена – реакции,врезультатекоторыхдвавещества
обмениваются атомами или группировками атомов, образуя два новыхвещества:
СаО+2HCl=СаСl
KCI+AgNO
Пообратимостиреакции делятнаобратимыеинеобратимые.Ре-
акции,протекающиевдвухпротивоположныхнаправлениях,называ-
26
=CaCO3.
2
=Hg+2NO2+O2.
;
4
+Н2O;
2
=AgCl↓+KNO3.
3
ютсяобратимыми (A+B C+D), ареакции, протекающиетолько
Химические реакции
ΔH < 0
водномнаправлении,называютсянеобратимыми (A+B=C+Dили
A+B→ C+D). Принеобратимыхреакцияхпродуктыреакцииуходятизсферыреакции (выпадают в осадок,выделяютсяв виде газа),
образуютсямалодиссоциирующиесоединенияили выделяетсябольшоеколичествоэнергии.
6.2. Тепловые эффекты химических реакций
При химическойреакции всегда выделяетсяили поглощается теплота(энергия).Реакции,протекающиесвыделениемтеплоты(энергии), называются экзотермическими, а сопровождающиеся поглощениемэнергии–эндотермическими.
Количествотеплоты, выделяющеесяили поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Эти
процессы изучаеттермохимия. Химические уравненияс указанны-
ми тепловыми эффектами реакций называются термохимическими
уравнениями.
Существует две системы обозначения теплового эффекта: термохимическая, в которой тепловой эффект обозначается буквой Q
и принимается за положительный при экзотермических реакциях,
и термодинамическая, в которой изменение энергии обозначается
символом∆Н(изменениеэнтальпии – теплосодержаниясистемы) и
принимаетсяположительнымприэндотермических реакциях.Выражаетсятепловойэффектреакциивджоулях.Тепловойэффектдается
врасчетенамольвещества,поэтомувтермохимическихуравнениях
допустимыдробныекоэффициенты.
Обаспособазаписитермохимическогоуравненияхимическойреакцииодинаковыипоказывают,чтоприхимическомвзаимодействии
поглощается или выделяется теплота, что приводит к увеличению
илиуменьшениютеплосодержаниясистемы(рис.6.2).
экзотермические эндотермические
+Q
Рис.6.2.Связьтепловогоэффектаиизмененияэнтальпии
−Q
ΔH > 0
27
В экзотермических реакциях ∆Н – отрицательная величина, а
в эндотермических ∆Н – положительная. Формула для перевода Q
в∆Нинаоборот:Q = –∆Н.
Первый закон термохимии формулируетсятак:тепловойэффект
прямойреакции равен поабсолютномузначениюипротивоположен
познакутепловомуэффектуобратнойреакции.
Второй термохимический закон (закон Гесса) формулируется
следующимобразом:тепловойэффектхимическойреакциине зависитотпутиеепротеканияиопределяетсятольконачальнымиконечнымсостояниемсистемы.
Важным следствием законаГессаявляется правило, по которому
тепловой эффектреакции равен разности суммы энтальпий образованияпродуктовреакции исуммыэнтальпийобразованияисходных
веществ.
∆Н
химической реакции
= Σ∆fН
продуктов реакции
– Σ∆fН
исходных веществ
Натепловойэффектреакциивлияют:
1.Количество вещества(какреагентов,такипродуктовреакции).
2. Температура и давление. Поэтому тепловой эффект реак-
ции, или изменение энтальпии, относят к стандартным условиям
(P= 101325Па, Т= 298 К). Изменения энтальпиипри стандартных
условиях называются стандартными и обозначаются как ∆Н°
298
Стандартная энтальпия образованиявещества ∆fН° –энтальпия образования1 молясложноговещества из простых веществпри стандартныхусловиях.
3.Агрегатные состоянияреагирующих веществипродуктовре-
акции. В термохимическом уравнении обязательно указывают агрегатные состояния веществ: твердое (т), кристаллическое (к), жидкое(ж),газообразное(г).
6.3. Скорость химической реакции
Скорость химической реакции – это изменение молярной
(моль/л)концентрацииреагирующихвеществвединицувремени.
Скоростьхимической реакциизависит от природы реагирующих
веществ, концентрации,температуры,давления, поверхностисоприкосновениявеществиеехарактера,присутствиякатализаторов.
Еслизаписатьуравнениехимическойреакцииввиде
aА+bВ=сС+dD,
28
.
то скорость реакции образования веществ С и D определяется
поформуле
a
b
c
v=kc
,
A
B
гдеv–скоростьреакции;
,сВ–концентрацииреагирующихвеществ,моль/л;
с
А
аиb–стехиометрическиекоэффициенты;
k–коэффициентпропорциональности,которыйназывается
константой скорости химической реакции.
Зависимостьскоростипростыхреакцийотконцентрации(табл.6.1)
описываетсязакономдействующихмасс:скорость химической реак-
ции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов.
Такаязависимость скоростиреакции от концентрации реагирующихвеществсправедливадлягазовиреакций,проходящихврастворе.Реакциисучастиемтвердыхвеществнеподчиняютсязаконудействующих масс, так как взаимодействие молекул происходит лишь
на поверхности раздела фаз. Чем больше поверхность, тем быстрее
будетидтиреакция.
Есликонцентрацииреагирующихвеществ равны 1 моль/л или их
произведениеравно единице,тоиv=k.Константаскоростизависит
отприродыреагирующихвеществ,температурыиприсутствиякатализатора.
Изменениескоростихимическойреакциидостигаетсяизменением
параметровпроведенияпроцессареагирующихвеществ.
Таблица 6.1
Влияние различных факторов на скорость химической реакции
Изменениескоростихимическойреакции
Увеличение Уменьшение
Участиехимическиактивныхреагентов Участиехимическинеактивныхреагентов
Повышениеконцентрацииреагентов Уменьшениеконцентрацииреагентов
Увеличениеповерхности
соприкосновенияреагентов
Повышениетемпературы Понижениетемпературы
Добавлениекатализатора Введениеингибитора
Уменьшениеповерхности
соприкосновенияреагентов
Влияние температуры на скорость химической реакции определяетсяправиломВант-Гоффа:при повышении температуры на каж-
дыедесять градусов скорость реакции увеличивается в 2–4 раза.
29
Математическиэтоправиловыражаетсяследующимуравнением:
v
v
t
Λ
10
vv
= γ
tt
21
,
где
и
t
1
–скоростиреакцийпритемпературахt1иt2;
t
2
Δt=t2–t1–изменениетемпературы;
γ–температурныйкоэффициентскоростихимической
реакции–число,показывающее,восколькоразувеличивается
скоростьреакцииприповышениитемпературынакаждые10°С.
Влияние катализатора. Одно изнаиболее эффективныхсредств
воздействия на скорость химических реакций – использование катализаторов.Катализаторы – этовещества, которыеизменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными по
составуипомассе.
Катализаторымогутбытьположительными(катализаторы)иотри-
цательными(ингибиторы).Ускорениехимическихреакцийблагодаря
присутствиюкатализаторовназываюткатализом, азамедление–ин-
гибированием.
Существуютдвавидакатализа:гомогенный игетерогенный. При
гомогенном катализе реагенты,продуктыреакцииикатализаторсо-
ставляютоднуфазу(газовуюилижидкую).Вэтомслучаеотсутствует
поверхностьразделамеждукатализаторомиреагентами.
Особенность гетерогенного катализа состоитв том,что катали-
заторы(обычнотвердыевещества)находятсявиномфазовомсостоянии,чем реагентыипродуктыреакции. Реакцияразвиваетсяобычно
наповерхноститвердоготела.
6.4. Химическое равновесие
Реакции, протекающиедо конца, когдареагенты полностью пре-
вращаются в продукты реакции, называются необратимыми. Примерами необратимых реакций могут служить реакции разложения
известняка, реакции в растворах с образованием газообразногоили
труднорастворимогопродукта.
Необратимыхреакцийнеоченьмного.Большинствореакцийпро-
текаетодновременно вдвух противоположныхнаправлениях. Такие
реакцииназываются обратимыми.Реакцию,протекающуюслеванаправо,называютпрямой, асправаналево–обратной.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]