14.2 Состав и строение молекул

Состав молекул приводится в виде химических формул. Химическая формула показывает, какие элементы и в каком количестве входят в состав данной молекулы (химического соединения). Следует различать простейшую и истинную формулу вещества. Простейшая формула показывает наименьшие целочисленные количества элементов в молекуле. Состав молекулы определяется валентностями элементов в данной молекуле. Например, формулы гидридов для элементов второго периода имеют следующий состав:

Li(I)Н(I), Ве(II)Н₂, В(III)Н₃, С(IV)Н₄, N(III)Н₃, Н₂О(II), НF(I).

Строение молекул определяется строением атомов, входящих в состав данной молекулы, и геометрией орбиталей, образовавших химические связи. Строение молекул воды, аммиака и метана приведено далее на рисунке 16.1.

Если атом образует несколько связей с участием различных орбиталей, то может происходить такое явление, как гибридизация атомных орбиталей.

Гибридизация – это выравнивание формы и энергии различных орбиталей при образовании ковалентной связи.

Разберем данный вопрос на примере гибридизации орбиталей атома

углерода в молекуле метана (СН₄). На рисунке 14.1 приведены четыре орбитали атома углерода и показаны формы четырех гибридных орбиталей. Так как в гибридизации участвуют одна s- и три p-орбитали, возникают четыре sp³-гибридные орбитали.

109^о 28^̓

s-, p_x-, p_y-, p_z- орбитали атома углерода четыре sp³-гибридные орбитали

Рисунок 14.1 – sp³-гибридизация валентных орбиталей углерода

Четыре гибридные орбитали углерода располагаются симметрично относительно друг от друга. В результате этого молекула метана имеет форму правильного тетраэдра, у которого в центре находится атом C, а в вершинах – атомы H. Углы между всеми связями равны и составляют 109°28'.

15 Типы кристаллических решеток

Кристаллическая структура вещества характеризуется правильным (регулярным) расположением частиц в строго определенных местах в кристалле. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В зависимости от того, какой тип взаимодействия осуществляется между частицами, занимающими узлы в кристаллической решетке, различают четыре типа кристаллических решеток: атомная, ионная, металлическая и молекулярная.

Атомная кристаллическая решётка – построена из атомов, соединенных между собой прочными ковалентными связями. Данные кристаллы обладают высокой температурой плавления и низкой тепло- и электропроводностью. Являются крайне твердыми, но хрупкими веществами. Например, алмаз.

Ионная кристаллическая решётка состоит из положительных и отрицательных ионов, между которыми действуют электростатические силы. Температуры плавления ионных кристаллов выше, чем атомных и молекулярных. Такие кристаллы образуются между элементами с сильно различающимися электроотрицательностями. Например, NaCl.

Металлическая кристаллическая решетка – содержит в уз­лах кристаллической решётки ионы металла и свободные электроны, принадлежащие всему кристаллу металла. Взаимодействие между ионами металла и свободными электронами обеспечивает прочную металлическую связь. Свободные электроны могут свободно перемещаться в объёме кристалла, поэтому их иногда называют «электронным газом». Наличие электронов, свободно перемещающихся по всему кристаллу металла, объясняет такие характерные для металлов свойства, как высокие электро- и теплопроводность, пластичность.

Молекулярная кристаллическая решетка образуется между неполярными или слабополярными молекулами. Поскольку силы взаимодействия между молекулами в этих решетках являются слабыми, такие вещества плавятся при низких температурах. Большая часть веществ, которые при комнатной температуре находятся в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы. Например, СН₄, СО₂ и др. Энергия межмолекулярного взаимодействия меньше водородной связи и составляет примерно 2÷20 кДж/моль.

В 1873 г. голландский ученый Ван-дер-Ваальс объяснил природу сил, обуславливающих притяжение между отдельными молекулами.

Межмолекулярные взаимодействия делятся на:

– ориентационные – возникают между полярными молекулами.

При сближении полярных молекул они ориентируются таким образом, чтобы положительная сторона одного диполя была ориентирована к отрицательной стороне другого диполя (рисунок 15.1).

Рисунок 15.1– Ориентационное взаимодействие

– индукционные – возникают между полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы индуцируют на неполярных диполи, которые затем электростатически взаимодействуют друг с другом (рисунок 15.2).

Рисунок 15.2 – Индукционное взаимодействие

– дисперсионные – возникают между неполярными молекулами. В любой неполярной молекуле или атоме благородного газа возникают флуктуации электрической плотности, в результате чего появляются мгновенные диполи, которые в свою очередь индуцируют диполи у соседних молекул. Образовавшиеся диполи взаимодействуют (рисунок 15.3).

Рисунок 15.3 – Дисперсионное взаимодействие

Часть вторая. ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

16 s-Элементы

s-Элементы – это элементы, у которых происходит заполнение s-подуровня. Данные элементы находятся в главных подгруппах первой и второй групп. S-элементы первой группы включают водород и щелочные металлы, а второй группы – бериллий, магний и щелочноземельные ме­таллы. К s-элементам также относится инертный газ гелий.