Межмолекулярные взаимодействия.
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, взаимод. молекул между собой, не приводящее к разрыву или образованию новых хим. связей. Межмолекулярное взаимодействие определяет отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и мол. кристаллов. От межмолекулярного взаимодействия зависят мн. структурные, спектральные, термодинамич., теплофиз. и др. св-ва в-в. Появление понятия межмолекулярного взаимодействия связано с именем Й. Д. Ван-дер-Ваальса, к-рый для объяснения св-в реальных газов и жидкостей предложил в 1873 ур-ние состояния, учитывающее межмолекулярное взаимодействие (см. Ван-дер-Ваальса уравнение). Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия часто называют ван-дер-ваальсовыми.
Межмолекулярные взаимодействия, взаимодействия молекул между собой, не приводящее к разрыву или образованию новых химических связей. Межмолекулярные взаимодействия определяют отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и молекулярных кристаллов. От межмолекулярных взаимодействий зависят многие структурные, спектральные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ. Появление понятия межмолекулярные взаимодействия связано с именем Й. Д. Ван-дер-Ваальса, который для объяснения свойств реальных газов и жидкостей предложил в 1873 уравнение состояния, учитывающее межмолекулярные взаимодействия. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия часто называют ван-дер-ваальсовыми.
Виды межмолекулярных взаимодействий Основу межмолекулярных взаимодействий составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. В экспериментально определяемых свойствах вещества проявляется усредненное взаимодействие, которое зависит от расстояния R между молекулами, их взаимной ориентации, строения и физических характеристик (дипольного момента, поляризуемости и др.). При больших R, значительно превосходящих линейные размеры l самих молекул, вследствие чего электронные оболочки молекул не перекрываются, силы межмолекулярного взаимодействия можно достаточно обоснованно подразделить на три вида - электростатические, поляризационные (индукционные) и дисперсионные. Электростатические силы иногда называют ориентационными, однако это неточно, поскольку взаимная ориентация молекул может обусловливаться также и поляризационными силами, если молекулы анизотропны.
При малых расстояниях между молекулами (R ~ l) различать отдельные виды межмолекулярных взаимодействий можно лишь приближенно, при этом, помимо названных трех видов, выделяют еще два, связанные с перекрыванием электронных оболочек, - обменное взаимодействие и взаимодействия, обязанные переносу электронного заряда. Несмотря на некоторую условность, такое деление в каждом конкретном случае позволяет объяснять природу межмолекулярного взаимодействия и рассчитать его энергию.
Агрегатные состояния вещества.
В зависимости от расстояния между частицами, составляющими вещество, и от характера и
энергии взаимодействия между ними вещество может находиться в одном из трех
агрегатных состояний: в твердом, жидком и газообразном.
При достаточно низкой температуре вещество находится в твердом состоянии.
Расстояния между частицами кристаллического вещества составляют порядка размера самих
частиц. Средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии.
Движение частиц, составляющих кристаллы, весьма ограниченно. Силы, действующие
между частицами, удерживают их вблизи равновесных положений. Этим объясняется
наличие у кристаллических тел собственных формы и объема и большое сопротивление
сдвигу.
При плавлении твердые вещества переходят в жидкость. По структуре жидкое вещество
отличается от кристаллического тем, что не все частицы находятся друг от друга на тех же
расстояниях, что и в кристаллах, часть молекул отдалена друг от друга на большие
расстояния. Средняя кинетическая энергия частиц для веществ в жидком состоянии
примерно равна их средней потенциальной энергии.
Исключением является гелий, который при атмосферном давлении остается жидким
даже при 0 К.
Твердое и жидкое состояния часто принято объединять общим термином -
конденсированное состояние.
При испарении (кипении) жидкое вещество переходит в газообразное состояние. В этом
состоянии частицы находятся на расстояниях, значительно превышающих их размеры,
поэтому силы взаимодействия между ними очень малы и частицы могут свободно
перемещаться. Если в кристалле все частицы образуют единый агрегат, а в жидкости много
крупных агрегатов, то в газах могут встречаться лишь частицы, состоящие из 2-5 молекул,
причем их число сравнительно невелико. Средняя кинетическая энергия частиц газа
значительно больше их средней потенциальной энергии, поэтому силы притяжения между
ними недостаточны для того, чтобы удержать их друг возле друга.
Если газу сообщить столь большую энергию, что от его молекул начинают отрываться
электроны, то в предоставленном ему пространстве будут накапливаться положительно и
отрицательно заряженные частицы. Происходит термическая ионизация, и газ переходит в
плазменное состояние (плазма - смесь атомных ядер, электронов и положительно
заряженных ионов). В таком состоянии газ становится проводником электричества. Между
плазмой и газом нет резкого различия. Но оно возникает, как только вещество попадает в
электрическое или магнитное поле, в этом случае движение частиц в плазме становится
упорядоченным.
Применение твердых, жидких и газообразных веществ.
Химия твёрдого тела — раздел химии, изучающий разные аспекты твердофазных веществ, в частности, их синтез, структуру, свойства, применение и др.. Ее объектами исследования являются кристаллические и аморфные, неорганические и органические вещества.
Представления, развиваемые этой наукой, находят применение в микроэлектронике, синтезе новых материалов (керметов,сверхпроводников). Один из ярких примеров — самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).
Химические виды топлива.
Применяют твердое, жидкое и газообразное топливо. К твердому топливу относятся дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь. Бурый уголь в Германии в виде брикетов — наиболее употребительный вид топлива. В зависимости от обстоятельств применяют также торф, древесный уголь, кокс и каменный уголь. К жидкому топливу относятся керосин, бензин, бензол, нефть, газойль, дизельное топливо и спирт. Для их применения требуются специальные отопительные приборы. К газообразному топливу относится газ природный, болотный, древесный (генераторный), городской (каменноугольный).
Разновидности химических процессов и закономерности их протекания.
Сложные реакции Реакции, которые состоят из нескольких элементарных реакций, называются сложными реакциями. Скорость сложной реакции определяется скорочтью самой медленной стадии. Сложные реакции делятся на последовательные, параллельные, сопряженные и обратимые. При протекании в системе одновременно нескольких элементарных реакций каждая из них происходит самостоятельно. Последовательные реакции состоят из ряда чередующихся элементарных стадий.
Параллельные реакции-совокупность параллельно происходящих элементарных реакция
Сопряженными называются такие реакции, в которых самопроизвольно идущая реакция вызывает протекание другой реакции.
Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми.
Химическое равновесие и методы его смещения. Химическое равновесие является динамичным (подвижным), так как при его наступлении реакция не прекращается, неизменными остаются лишь концентрации компонентов, то есть ля единицу временя образуется такое же количество продуктов реакции, какое превращается в исходные вещества. При постоянных температуре и давлении равновесие обратимое реакции может сохраняться неопределенно долгое время.
Французский химик Амрн Ле Шателье в 1885 г. вывел, a немецкий физик Фердинанд Браун в 1887 г. обосновал общий закон смещения химического равновесия в зависимости ОТ внешних факторов, который известен пол названием принципа Ле Шателье.
Если изменить одно из условий — температуру, давление или концентрацию веществ. — при которых данная система находится в состоянии химического равновесия, то равновесие сместится в направлении, которое препятствует зтому изменению.
Катализ
Катализ — изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Катализ может быть положительным (когда скорость реакции увеличивается) и отрицательным (когда скорость реакции уменьшается или реакция почти полностью подавляется). Явление катализа распространено в природе и широко используется в технике (в производствесерной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Катализ не смещает химическое равновесие, т.к одновременно изменяет скорость как прямой так и обратной реакции.
Биокатализ и ферменты
ускорение с помощью ферментов химических реакций, протекающих в живых организмах. Б. - процесс высокоэффективный, специфичный и, в отличие от химического Катализа,происходит в "мягких", т. е. свойственных живому организму, условиях (температура, давление, реакция среды и т.д.).
Цепные химические реакции. Горение, взрыв
Цепные реакции — химические и ядерные реакции, в которых появление активной частицы (свободного радикала или атома в химических, нейтрона в ядерных процессах) вызывает большое число (цепь) последовательных превращений неактивных молекулили ядер. Свободные радикалы и многие атомы, в отличие от молекул, обладают свободными ненасыщенными валентностями (непарным электроном), что приводит к их взаимодействию с исходными молекулами. При столкновении свободного радикала (R•) с молекулой происходит разрыв одной из валентных связей последней, и, таким образом, в результате реакции образуется новый свободный радикал, который, в свою очередь, реагирует с другой молекулой — происходит цепная реакция.
К цепным реакциям (в химии) относятся процессы окисления (горение, взрыв), крекинга, полимеризации и другие, широко применяющиеся в химической и нефтяной промышленности.
В ядерных цепных реакциях (которые были так названы по аналогии с химическими) активными частицами являются нейтроны, которые инициируют один из видов ядерной реакции — деление ядер. Цепная ядерная реакция является основой для ядерной энергетики и ядерного оружия.