Типы межмолекулярного взаимодействия

Тип межмоле-кулярного взаи-модействия	Взаимодейству-ющие частицы	Зависимость энер-гии взаимодейст-вия частицы от расстояния	Примеры веществ
1	2	3	4
1.Ион-ионное	Катион - анион	Е~Z1Z2/R2	Ионные твердые кристаллы, расплавы ионных веществ: NaCl.

Продолжение

2.Ион-дипольное	Ион - полярная молекула	Е~z μ/R2	Растворы ионных веществ в полярных рас-творителях: NaCI в воде; КОН в спирте
3.Ион-индуцированный диполь	Ион - неполярная молекула	Е~z2 α/R4	Растворы ионных веществ в неполяр-ных растворителях
4.Диполь-дипольное (ори-ентационное)	полярная полярная молекула молекула	е~μ1μ2/R6	Вещества из поляр-ных молекул: НС1; растворы по-лярных веще-ств в полярных растворителях: аце-тон в воде
5.Диполь-инду-цированный диполь (ин-дукциионное)	полярная неполярная молекула молекула	Е~μ2α/R6	Растворы неполяр-ных веществ в поляр-ных растворителях и, наоборот, бензол в воде; вода в СС14
6.Дисперсионное (Лондоновское)	неполярная неполярная молекула молекула	Е~α1α2/R6	Универсальное, про-является во всех мо-лекулярных вещес-твах: углеводороды, спирты НС1, 12…

Z – заряд иона;

R – расстояние между взаимодействующими частицами;

μ - электрический дипольный момент молекулы;

α - поляризуемость молекулы.

Примеры решения задания 3.1

Пример 1.Дипольный момент молекул НС1 и НСN равен 1,03 и 2,98 D соответственно. Какова относительная роль диполь-дипольного и дисперсионного вкладов в межмолекулярные силы притяжения в молекуле НСN?

Решение: Диполь-дипольное взаимодействие пропорционально отношению μ⁴/d⁶, где μ – дипольный момент молекулы, d – расстояние между молекулами. Предположим, что молекулы НС1 и НСN приблизительно одинаковы по размеру и поэтому величина d должна быть приблизительно одинаковой. Поскольку дипольный момент у молекулы НСN примерно в 2,9 раза больше, чем у молекулы НСl, следует ожидать, что диполь-дипольное взаимодействие для НСN окажется приблизительно в (2,9)⁴, т.е. в 70 раз больше, чем для НСl. В то же время дисперсионное взаимодействие для этих веществ должно быть примерно одинаковым. (Молекула НСl имеет большую массу, но тройная связь С≡N в молекуле НСN обладает большей поляризуемостью, чем простые одинарные связи. Выше было указано, что дисперсионный вклад в межмолекулярное взаимодействие в НС1 приблизительно в пять раз превышает диполь-дипольный вклад. Поскольку мы пришли к выводу, что диполь-дипольный вклад в молекуле НСN должен быть примерно в 70 раз больше, чем в молекуле НС1, следует ожидать, что для НСN диполь-дипольный вклад окажется в 10-15 раз больше вклада дисперсионных сил в полную энергию межмолекулярного притяжения.

Пример 2. Какое из следующих веществ – P₄O₁₀, Cl₂, AgCl, I₂ - вероятнее всего находится в газообразном состоянии при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении?

Решение: Поставленный вопрос cводится к тому, какое из перечисленных веществ характеризуется наименьшими межмолекулярными силами притяжения. Чем слабее эти силы, тем вероятнее, что вещество находится в газообразном состоянии при заданных температуре и давлении. Эти соображения заставляют выбрать среди перечисленных веществ С1₂. Данная молекула неполярна и имеет наименьшую молекулярную массу. Действительно, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении С1₂ представляет собой газ, тогда как остальные вещества при тех же условиях находятся в твердом состоянии. И наименее вероятно, что при заданных условиях в газообразном состоянии находится AgCl. Это вещество состоит из ионов Ag⁺ и С1^-, между которыми действуют очень большие ионные силы, связывающие ионы в твердое вещество.

Пример 3. Расположите перечисленные ниже водородные связи в порядке возрастания прочности: О—Н…Сl, О—Н…N, N-Н…О, F—Н …О.

Решение: Самой слабой из приведенных водородных связей должна быть первая, О—Н…Сl, поскольку атом хлора, элемента третьего периода, имеет большие размеры и должен быть плохим донором электронной пары, необходимой для образования водородной связи. Водородные связи О—Н…N; F—Н…О должны иметь приблизительно одинаковую прочность, потому что больший диполь связи F—Н компенсируется лучшей донорной способностью азота по сравнению с кислородом. Обе эти связи должны быть прочнее водородной связи N—Н…О, так как диполь связи N—Н имеет небольшую величину. Исходя из сказанного, можно допустить такую последовательность возрастания прочности водородных связей:

О—Н…С1 < N—Н…О < О—Н…N ≈ F—Н…О

Пример 4. Расположите в порядке возрастания температур кипения следующие вещества: ВаС1₂, Н₂, СО. НF и Nе.

Решение: Температура кипения жидкости определяется действующими в ней силами межмолекулярного притяжения. Эти силы в ионных соединениях имеют большую величину, чем в молекулярных жидкостях, поэтому самая высокая температура кипения среди названных веществ должна быть у ВaС1₂. Межмолекулярные силы в остальных веществах зависят от их молекулярной массы, полярности молекул и от наличия водородных связей. Молекулярные массы этих веществ равны 2 у Н₂; 28 у СО; 20 у НF; 4 у Не. Температура кипения Н₂ должна быть самой низкой, поскольку молекула водорода неполярна и имеет самую низкую молекулярную массу. Молекулярные массы СО, НF и Ne приблизительно одинаковы. В НF имеются водородные связи, поэтому среди данных веществ он должен кипеть при самой высокой температуре. Следом за ним должен идти СО, молекулы которого характеризуются небольшой полярностью и самой большой молекулярной массой. Последним из этих трех веществ должен располагаться Ne, у которого неполярная одноатомная структурная частица. Таким образом, температура кипения пяти названных веществ должна увеличиваться в ряду

H₂ < Ne < CO < HF < BaCl₂

Температуры кипения этих веществ имеют следующие значения по шкале Кельвина:

20 (H₂), 27 (Ne), 83 (СО), 293 (НF) и 1813 (BaCl₂).

Пример 5. С учетом каких факторов можно объяснить закономерности в изменении температур плавления а) простых веществ в ряду галогенов; б) в ряду простых веществ, образуемых элементами II периода?

Решение: а) Все галогены в твердом состоянии имеют решетку молекулярного типа. Различная температура плавления их обусловлена различием в энергии вандерваальсова взаимодействия.

б) Простые вещества элементов II периода различаются типом решетки. Металлическая - у лития и бериллия, атомная (ковалентная каркасная) - у бора и углерода, молекулярная - у азота, кислорода, фтора и атомная - у неона. Вещества с молекулярной решеткой имеют низкие температуры плавления. Самые высокие температуры плавления у веществ с решеткой атомного типа.

Пример 6. Чем объяснить, что температура плавления воды значительно выше температуры плавления фтороводорода (—83° С), хотя дипольный момент молекулы H₂O (1,84D) меньше, чем молекулы НF (1,91D)?

Решение: Между молекулами воды возникают три типа межмолекулярных взаимодействий: дисперсионное, диполь-дипольное и водородная связь. Молекулы воды, способные образовывать по 4 водородные связи, дают упорядоченную трехмерную сетку. Между молекулами фтороводорода также возникают три типа межмолекулярных взаимодействий: дисперсионное, диполь-дипольное и водородная связь. Молекулы фтороводорода, способны образовать только по 2 водородные связи. Поэтому суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия в воде больше, чем во фтороводороде, и как следствие температура плавления воды выше, чем фтороводорода.

Пример 7. Можно ли, исходя из величин температур плавления ряда веществ, оценить, в каких случаях вещества имеют молекулярную решетку? Рассмотреть на примере:

Ne CH₄ HI H₂O P₄ PdCl₂ SiO₂ Si NaCl

Т. пл, К 24 89 222,3 273 317 1200 2000 1700 1073

Решение: Обычно низкоплавкие вещества (Ne, CH₄, HI, H₂O, P₄) имеют преимущественно молекулярную решетку, в которой молекулы удерживаются слабыми вандерваальсовыми силами. Ионные (PdCl₂, NaCl) и атомные ковалентные каркасные кристаллы (SiO₂, Si) плавятся при более высокой температуре, так как частицы в этих кристаллах связаны прочными ионными или ковалентными связями.

Задание 3.2. Для указанных веществ определите:

а) тип химической связи между атомами;

б) структурные частицы вещества;

в) тип кристалла;

г) взаимодействия между структурными частицами вещества;

д) сравните физические свойства веществ:

- высокие или низкие температуры кипения и плавления;

- агрегатное состояние при нормальных условиях;

- электропроводимость;

- растворимость в воде и органических растворителях;

- механические свойства (твердое или мягкое, хрупкое или пластичное…);

е) подтвердите ваши предположения справочными данными о свойствах указанных веществ.

Методические указания к выполнению задания 3.2

Физические и химические свойства вещества определяются доминирующим типом химической связи, которая реализуется в веществе; составом структурных частиц (атомы, ионы, молекулы); видом межмолекулярных взаимодействий между ними; а также их пространственным расположением в образующейся структуре. Классификация веществ по типу химической связи и краткое описание их наиболее характерных физических свойств приведены в таблице 10.

Пример решения задания 3.2

Сравнить физические свойства следующих веществ:

а) CS₂; б) Na₂SO₄; в) Cu; г) SiC.

Решение:

1. Атомы углерода и серы являются неметаллами, между ними образуется ковалентная полярная связь. Структурными частицами

сероуглерода (CS₂) являются неполярные молекулы: S=C=S. Образующийся при определенных условиях кристалл сероуглерода относится к молекулярному типу.

Таблица 10

Классификация кристаллов по типу химической связи и

физическим свойствам веществ

Тип кристалла	Структурные частицы	Взаимодействие между структур-ными частицами		Свойства	Примеры
1	2	3		4	5
Атомный	Атомы	Лондоновские силы персионные		Мягкость, низкая температура плав-ления, плохие тепло- и электропровод-ность	Благородные газы-Не, Аг, Кг, Хе, Rn
Молекуляр-ный	Полярные или неполярные мо- лекулы	Вандервальсовы силы (диспер- сионные, ди- поль-дипольные водородные связи)	Умеренная мягкость, температура плавле- ния от низкой до уме- ренно высокой, пло-хие тепло- и электро-проводность		Метан СН4, сахар С12Н22О11, С02,Н20,...
Ионный	Положительно и отрицательно заряженные ио- ны	Ионная химическая связь	Твердость и хруп- кость, высокая темпе- ратура плавления, плохие тепло- и электропроводность в тв. состоянии, в жид-ком -электролиты.		Типичные соли, напри- мер NaCl, Ca(N03)2
Атомный ковалент-ный (кар-касный)	Атомы неме- таллов, связан- ные в каркас ковалентными связями.	Ковалентная связь	Высокая твердость, очень высокая темпе ратура плавления, плохие тепло- и электропроводность		Алмаз С, кварц Si02
Металли-ческий	Атомы метал- лов	Металлическая связь	Степень твердости са- мая различная, темпе-ратура плавления от низкой до очень высо-кой, высокие тепло- и электропро-водность, ковкость и пластичность		Все метал- лические элементы, например Сu, Fe, Al, W

Между неполярными молекулами CS₂ … CS₂ возникают только дисперсионные взаимодействия, характеризующиеся незначительной энергией. Поэтому следует ожидать, что сероуглерод имеет относительно невысокие температуры кипения (46^оС) и плавления (-109^оС). При стандартных условиях это летучая жидкость, сероуглерод неэлектропроводен, не растворяется в воде, но хорошо растворяется и растворяет малополярные (жиры) и неполярные вещества (фосфор, серу, йод).

2. Сера и кислород являются неметаллами, между ними возникает ковалентная полярная связь. Они образуют молекулярный анион SO₄^2-. Натрий является металлом и с неметаллами образует ионную связь. Сульфат натрия, таким образом, состоит из ионов Na⁺ и SO₄^2- и образует ионный кристалл. Между структурными частицами сульфата натрия – ионами Na⁺ и SO₄^2- - возникает прочная ионная химическая связь. Поэтому сульфат натрия должен характеризоваться высокими температурами плавления (884^оС) и кипения (1430^оС). При стандартных условиях это твердое, хрупкое, солеобразное кристаллическое вещество. Сульфат натрия не проводит электрический ток в твердом состоянии, в жидком – в расплаве или в растворе – является электролитом. Сульфат натрия, как ионное соединение, хорошо растворим в воде, но не растворим в органических растворителях.

3. Медь является металлом и между атомами меди возникает металлическая химическая связь, образуется металлический кристалл. Особые свойства металлической связи определяют особые свойства металлов. Медь, как и все металлы, обладает характерным блеском, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью, ковкостью. Она нерастворима ни в каких растворителях за счет физического процесса. При стандартных условиях медь – твердое вещество с довольно высокой температурой плавления (1083^оС) и кипения.

4. Монокарбид кремния – SiC – состоит из атомов неметалла, между которыми возникает прочная малополярная химическая связь. И кремний, и углерод характеризуются высокой валентностью, каждый из атомов может образовать по четыре связи. Поэтому в монокарбиде кремния реализуется ковалентная каркасная структура, построенная из структурных частиц - атомов неметаллов Si и C, связанных прочной ковалентной химической связью. Для монокарбида кремния следует ожидать очень высокой температуры плавления (≥2600^оС) и кипения. Монокарбид кремния характеризуется высокой твердостью, является диэлектриком, нерастворимым ни в каких растворителях.