4.5. Міжчастинкові взаємодії

Існування речовин у різних агрегатних станах свідчить про те, що між незарядженими частинками (атомами, молекулами) мо­жуть діяти сили притягання, які не укладаються в звичайні валентні уявлення. Зокрема, дією цих сил пояснюються:

1) перехід з газуватого стану в рідкий (O₂, N₂) або твердий (СO₂, I₂);

2) відмінність між реальними та ідеальними газами. Сили взає­модії між частинками реальних газів уперше врахував Ван дер Ваальс (1873) у рівнянні стану газів (1.21);

3) явище Джоуля—Томсона (1854) — охолодження газу під час його адіабатного проникнення крізь пористу перетинку. Воно вказує на те, що при розширенні долаються сили притягання;

4) конденсація інертних газів, які не утворюють звичайних валентних зв'язків, у рідкий та твердий стани з виділенням енергії;

5) процеси адсорбції, сублімації, каталізу, розчинення і сольва­тації.

Ці сили являють собою взаємодію електронів і ядер різних частинок декількох типів, але їх об'єднують під загальною назвою міжчастинкових, або вандерваальсових сил. Найважливішою і відмінною рисою вандерваальсових сил є їх універсальність, оскільки вони діють без винятку між усіма атомами і молекулами. Міжчастинкові сили відрізняються від хімічних тим, що вони виявляються на значно більших відстанях (на яких дія хімічних сил зникає), характеризуються малою енергією і відсутністю наси­чуваності та напрямленості. Вони швидко послаблюються зі збіль­шенням відстані між частинками, причому відштовхування спадає значно швидше притягання. Як правило, вандерваальсові сили між частинками зростають зі збільшенням числа електронів у частинці, тобто приблизно пропорційно формульній масі. Оскільки вони діють між валентно насиченими частинками, то їх називають також залишковими силами.

Питання для самоперевірки

1. Що таке хімічний зв’язок? Які причини його утворення?

2. Які кількісні характеристики хімічного зв’язку вам відомі?

2. Який хімічний зв’язок називається ковалентним? Види ковалентного зв’язку. Як метод валентних зв’язків (ВР) пояснює утворення ковалентного зв’язку? Які ви знаєте властивості ковалентного зв’язку?

3. У чому сутність гібридизації атомних орбіталей? Які види гібридизації атомних орбіталей вам відомі? Як впливає гібридизація атомних орбіталей на просторову структуру молекул?

4. Що таке йонний зв’язок?

5. У чому сутність методу молекулярних орбіталей (МО)?

Контрольні завдання

1. Здійсніть наближену оцінку довжини зв’язків у молекулах NO та SO, якщо між’ядерні відстаніу молекулах N₂, O₂і S₂ відповідно рівні 1,0910^-10м, 1,210^-10м і 1,9210^-10м.

Відповідь: 1,15  10^-10 м; 1,56  10^-10 м.

2. Дипольний момент молекули NO₂дорівнює 9,110^-31Клм. Знайдіть довжину диполя цієї молекули.

Відповідь: 5,7  10^-12 м.

3. Що таке sp³-гібридизація електронних орбіталей? Яку просторову конфігурацію мають молекули речовин із таким типом гібридизації? Наведіть приклади відповідних сполук.

4. Яке взаємне розташування електронних орбіталей при sp²-гібридизації? Наведіть приклади сполук із таким типом гібридизації. Яка просторова будова молекул цих речовин?

5. Як взаємно розташовані електронні орбіталі при sp-гібридизації? Наведіть приклади сполук із таким типом гібридизації.

6. Розподіліть електрони атома фосфору по квантових комірках. Скільки неспарених електронів мають ці атоми в основному та збудженому станах? Чόму дорівнює валентність фосфору в цих станах?

7. Що називається електричним моментом диполя? Яка з молекул – HCl, HBr чи HI – має найбільший момент диполя? Чому?

8. Який хімічний зв’язок називають іонним? Яким є механізм його утворення? Які властивості іонного зв’язку відрізняють його від ковалентного? Наведіть два приклади типових іонних сполук. Напишіть рівняння перетворення нейтральних атомів у йони.

9. Зобразіть енергетичну схему утворення молекули Н₂ за методом молекулярних орбіталей.

10. Які електрони атома карбону беруть участь в утворенні ковалентного зв’язку? Як метод валентних зв’язків (ВЗ) пояснює тетраедричну будову молекули SiCl₄?

11. Який хімічний зв’язок називають ковалентним? Чим можна пояснити спрямованість ковалентного зв’язку? Як метод валентних зв’язків (ВЗ) пояснює будову молекули води?

12. Ковалентний радіус атома йоду дорівнює 1,33 10^-10м. Обчисліть приблизно між’ядерні відстані у молекулах йоду та йодоводню, якщо ковалентний радіус водню дорівнює 310^-11м.

Відповідь: 2,66  10^-10 м; 1,63  10^-10 м.

13. Обчисліть довжину зв’язку CH у молекулі CH₄ за наступними даними: довжини зв’язків CС и НH відповідно дорівнюють 1,54  10^-10 м і 7,4  10^-11 м.

Відповідь: 1,14  10^-10 м.

14. Який ковалентний зв’язок називають полярним? Що служить кількісною мірою полярності ковалентного зв’язку? Виходячи зі значень електронеґатив-ності атомів відповідних елементів, визначте, який зі зв’язків  HІ, IСl, BrF – є найбільш полярним.

15. Який спосіб утворення ковалентного зв’язку називають донорно-акцеп-торним? Розгляньте донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку на прикладі йонів NH₄⁺ та BF₄^-. Зазначте донор і акцептор.

16. Дипольний момент молекули NO дорівнює 5,3 10^-31Клм. Знайдіть довжину диполя цієї молекули.

Відповідь: 3,3  10^-12 м.

17. Довжина диполя молекули HF дорівнює 4 10^-11м. Знайдіть дипольний момент цієї молекули.

Відповідь: 6,4  10^-30 Кл  м.

18. Яку ковалентність може виявляти йод у сполуках? Зобразіть електронну будову атома йоду в основному та збудженому станах.

19. Як метод валентних зв’язків (ВЗ) пояснює лінійну будову BeCl₂ та тетраедричну будову молекули CH₄?

20. Який ковалентний зв’язок називають -зв’язком, а який-зв’язком? Розберіть на прикладі будови молекули азоту.

21. Який тип гібридизації в молекул наступних речовин: ВеН₂, BF₃, HgCl₂, ZnCl₂? Наведіть приклади сполук з таким типом гібридизації. Яке взаємне розташування гібридних орбіталей у зазначених молекулах?

22. Зображуючи перекривання електронних орбіталей, покажіть утворення -зв’язку в молекулах H₂, Br₂, HBr.

23. Скільки - і -зв’язків у молекулах етилену й ацетилену?

24. Опишіть за допомогою методу молекулярних орбіталей молекулу азоту.

25. Розмістіть електрони на молекулярних орбіталях у молекулі фтору. Зобразіть схему утворення молекулярних орбіталей у молекулі з атомів фтору. Скільки електронів знаходиться на зв’язуючих і розслабляючих орбіталях?

26. Розмістіть електрони на молекулярних орбіталях у молекулі кисню. Зобразіть схему утворення молекулярних орбіталей у цій молекулі. Як за допомогою методу МО пояснюють парамагнітні властивості кисню?

27. Яку ковалентність може виявляти атом сульфуру в основному та збудженому станах? Дайте пояснення.

28. Які кристалічні структури називають іонними, атомними, молекулярними та металевими? Кристали яких речовин алмазу, цинку, хлориду натрію, двооксиду карбону – мають зазначені структури?

29. Який хімічний зв’язок називають водневим? Між молекулами яких речовин він утворюється? Чому H₂O та HF, маючи менші молекулярні маси, ніж їхні аналоги, киплять при більш високих температурах?

30. Що таке ступінь окиснення? Визначте ступінь окиснення атома карбону та його валентність, обумовлений числом неспарених електронів, у сполуках: CH₄, CH₃OH, HCOOH, CO₂, C₆H₁₂O₆, C₆H₆.