Химия (стр. 8 )

Химическая устойчивость молекул проявляется лишь в системах, где расстояние между молекулами много больше их размеров (r >>10-9м).

В том случае, если расстояние между молекулами составляет примерно 10-9 м, возникают Ван-дер-ваальсовы силы (при этом электронные облака соседних молекул не перекрываются и химическая связь не образуется).

Ван-дер-ваальсовы силы имеют электростатическую природу и подразделяются на:

1)  ориентационные (диполь – дипольные);

2)  индукционные (диполь – неполярная молекула);

3)  поляризационные (дисперсионное взаимодействие мгновенно индуцированных диполей поляризуемых молекул). Притяжение между мгновенно индуцированными диполями увеличивается с увеличением поляризуемости молекул, то есть с увеличения их размеров и общего числа электронов. Так, среди галогенов поляризационное взаимодействие усиливается от хлора к иоду, поэтому Cl2 – газообразное вещество; Br2 – жидкость; I2 – кристаллическое вещество.

Ван-дер-ваальсово взаимодействие приводит к возникновению согласованного движения электронов в отдельных молекулах таким образом, что они все время находятся на максимальном расстоянии друг от друга.

Водородная связь имеет промежуточный характер между межмолекулярным взаимодействием и ковалентной связью. Это связь между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованными атомами с большой электроотрицательностью (F, O, N, S и др.).

За счет малых размеров атома водорода он имеет способность проникать в электрическую оболочку других атомов, где происходит взаимодействие, которое является промежуточным между электростатической и донорно-акцепторной связью.

Условно водородная связь записывается как Х – Н…Y (X, Y =F, O, N, S).

Донорно-акцепторное взаимодействие молекул возникает в том случае, когда один фрагмент молекул имеет свободные орбитали, а другой – пары электронов. Например, атом бериллия в молекуле BeCl2 имеет пустые орбитали на валентном уровне, а атомы хлора – пары электронов, поэтому в кристалле хлорид бериллия образует полимерные молекулы.

Донорно-акцепторное взаимодействие между разными молекулами приводит к образованию комплексных соединений:

AlCl3 + :NH3 ® H3N:AlCl3

Zn(OH)2 + 2 KOH ® K2[Zn(OH)4]

CuSO4 + 4NH3 ® [Cu(NH3)4]SO4

Примеры решения задач

Пример 11. Объясните образование молекулы хлорида бериллия.

Решение.

Рассмотрим электронные формулы бериллия и хлора:

В основном состоянии атом бериллия имеет спаренные валентные электроны, а в возбужденном состоянии - два неспаренных электрона, что и соответствует валентности Ве в молекуле BeCl2

4Ве 1s22s2.

Be	↑↓					+ hν → Be*	↑		↑
2s2 2s1 2p1

Неспаренные электроны атома бериллия находятся на различных (s - и p - ) орбиталях, а связи Ве – Cl в молекуле ВеCl2 одинаковые. Это объясняется sp2-гибридизацией АО, когда из одной s - и одной р - АО образуются две sp-гибридные орбитали, имеющие одинаковую энергию и располагающиеся в пространстве под углом 180º. Молекула линейна. Два неспаренных электрона на гибридных орбиталях взаимодействуют с одиночными электронами атомов хлора с образованием двух σ-связей, расположенных под углом 180º

Пример 12. Объясните образование молекулы СО.

Решение.

В молекуле СО неспаренные электроны образуют две связи. Общие электронные пары, образующие эти связи смещены к атому кислорода:

2s| 2p

С	↑↓
O				↓↑

2p | 2s

Благодаря наличию пустой орбитали у атома углерода и неподеленных электронных пар у атома кислорода, по донорно-акцепторному механизму образуется третья связь. Это приводит к смещению электронной плотности от атома кислорода к атому углерода. Данное смещение настолько сильное, что избыточная электронная плотность оказывается не на атоме кислорода, а на атоме углерода. Молекула СО достаточно прочная, прочность молекулы сравнима с прочность молекулы N2. В структурных формулах две обменные cвязи изображаются черточками, а донорно-акцепторная – стрелкой, направленной от атома донора к атому-акцептору:

Пример 13. Пользуясь таблицей относительных электроотрицательностей (ОЭО), вычислите разность ОЭО для связей K-Cl, H-O, Cl-O, Fe-Cl, Na-F, Cl-Cl и дайте характеристику этих связей.

Решение.

Для того, чтобы дать характеристику связей этих пар атомов, используя таблицу относительных электроотрицательностей, нужно найти разность значений:

∆ОЭОCl-K = 3,0 – 0,8 = 2,2 - ∆ОЭО > 2, связь ионная;

∆ОЭОО-Н = 3,5 – 2,1 = 0,4 - ∆ОЭО < 1,5, связь ковалентная полярная;

∆ОЭОO-Cl = 3,5 – 3,0 = 0,5 - ∆ОЭО < 1,5, связь ковалентная полярная;

∆ОЭОCl-Fe = 3,0 – 1,9 =1,1 - ∆ОЭО < 1,5, связь ковалентная полярная;

∆ОЭОF-Na = 4,0 – 0,9 = 3,1 -∆ОЭО > 2, связь ионная;

∆ОЭОCl-Cl = 3,0 – 3,0 = 0 - ∆ОЭО = 0, связь ковалентная неполярная.

Химическая кинетика

Химическая кинетика изучает процессы протекания химической реакции во времени, а также механизмы химических реакций.

Реакции: а) гомогенные (отсутствуют границы раздела фаз между реагентами, протекают во всем объеме);

б) гетерогенные (протекают на поверхности раздела фаз).

Реакции: а) простые (элементарные) (протекают в одну стадию и отражаются записанным уравнением);

б) сложные (состоят из нескольких элементарных реакций);

Реакции: а) необратимые (хотя бы один из реагентов полностью расходуется в процессе реакции);

б) обратимые (в реакционной смеси всегда присутствуют как продукты реакции, так и исходные вещества).

Одним из основных понятий химической кинетики является понятие скорости химической реакции.

Под скоростью химической реакции понимают число элементарных актов реакции, в результате которых происходит превращение исходных веществ в продукты реакции, в единицу времени в единице объема.

На практике скорость реакций измеряют по изменению концентраций участвующих в ней веществ за определенный промежуток времени.

Очевидно, что в разные моменты времени концентрации реагирующих веществ изменяются, следовательно скорость реакции тоже изменяется. Мгновенная скорость реакции определяется пределом, к которому стремится выражение при , т. е. производной концентрации по времени.

Графически мгновенная скорость может быть определена как тангенс угла a наклона кривой в точке, соответствующей какому-либо моменту времени.

Из двух химических реакций с наибольшей скоростью идет та, в которой за одинаковое время образуется большее количество вещества.

Закон действия масс

Необходимым условием для осуществления акта химического взаимодействия между молекулами должно быть их столкновение. Столкновение происходит тем чаще, чем больше молекул содержится в данном объеме, т. е. скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ.

k – константа скорости химической реакции, численно равная скорости реакции при концентрациях реагирующих реагирующих веществ, равных 1моль/л;

a, b - простые числа, обычно не больше 3. Для простых реакций соответствует стехиометрическим коэффициентам.

Скорость реакции не зависит от концентрации твердого вещества, а только от площади их поверхности.

CaO + CO2 CaCO3

Кинетика сложной реакции лимитируется, т. е. определяется медленной стадией. Например, реакция 2HI + H2O2 ® 2H2O + I2 реально протекает в две стадии:

1.  HI + H2O2 ® HOI + H2O (медленно)

2.  HOI + HI ® I2 + H2O (быстро)

Выражение скорости этой реакции записывается как

, а не