Хімічний зв’язок та агрегатні стани речовини
Лекція №3
1. Визначення та основні типи хімічного зв'язку
2. Поняття про координаційні з'єднання
3. Міжмолекулярна взаємодія
4. Агрегатні стани речовини
1. Визначення та основні типи хімічного зв'язку.Хімічний зв'язок– це явище взаємодії атомів, обумовлене перекриттям електронних хмар частинок, що зв'язуються, яке супроводжується зменшенням повної енергії системи. Найважливішою енергетичною характеристикою служитьенергіяхімічного зв'язку, що визначає її міцність; її величина визначається роботою, яка потрібна на руйнації зв'язку, чи виграшем енергії при утворенні речовини з окремих атомів. До геометричних параметрів відносяться довжина зв'язку, валентний кут.Довжина зв'язку– це відстань між центрами ядер атомів у молекулі, коли сили тяжіння врівноважені силами відштовхування та енергія системи мінімальна.Валентний кут- кут між зв'язками в молекулі.
Хімічна взаємодія єдина за своєю природою, тому розподіл хімічних зв'язків на типи носить умовний характер, але воно необхідне для виділення найважливіших характерних особливостей взаємодії в даній речовині. Хімічний зв'язок описується трьома основними типами: ковалентною, іонною та металевою.
Ковалентний зв'язок– це взаємодія між двома атомами, що не сильно відрізняються за ЕО (наприклад, між атомами двох неметалів), при якому атоми узагальнюють свої валентні електрони шляхом утворення загальних електронних пар. Одна загальна електронна пара відповідає одному ковалентному зв'язку. При взаємодії атомів, однакових за ЕО, утворюєтьсянеполярнийковалентний зв'язок, а різних -полярний.
Утворення ковалентного зв'язку можездійснюватися двома способами: а) по обмінному механізму (кожен із атомів надає по одному електрону); б) за донорно-акцепторним (донорнадає електронну пару, аакцептор– порожню валентну орбіталь).
Головними відмінними особливостями ковалентного зв'язку від інших типів є їїспрямованість(у бік максимального перекривання електронних хмар),поляризованістьтанасичуваність.
Кратні зв'язки- ковалентні зв'язки, що здійснюються більш ніж однією парою електронів. При перекриванні валентні орбіталі можуть піддаватисягібридизації- змішання орбіталей, що супроводжується зміною форми електронної хмари.
Іонний зв'язок– це взаємодія між атомом металу та неметалу, у результаті якого атоми «прагнуть» придбати електронну конфігурацію благородного газу. Метал віддає свої валентні електрони неметалу, внаслідок чого з'являються катіон та аніон. Протиіони, що утворилися, електростатично притягуються один до одного, що і зумовлює хімічний (іонний) зв'язок між ними.
Слід зазначити, що 100%-ної іонної в'язі в природі не існує, можна лише говорити про переважання іонної компоненти в деяких речовинах, що складаються з частинок, що різко відрізняються за ЕО. Іонний зв'язокненасиченийіненаправлений.
Металічнийзв'язок реалізується в рідких та твердих металах. Атоми металів характеризуються значним дефіцитом електронів зовнішньому рівні. Перекривання зовнішніх валентних орбіталей при взаємодії атомів металів один з одним призводить до появи особливого типу хімічного зв'язку -металевої, яка є випадком граничної ділалізації хімічного зв'язку. Електрони металевого зв'язку неналежать якомусь одному атому або групі атомів, вони відносно вільно переміщаються у всьому обсязі металу. Металевий зв'язок подібний до ковалентного тим, що заснований на усуспільненні електронів. Особливі властивості металевого зв'язку (неспрямованість,ненасиченість,багатоелектронністьібагатоцентровість) визначає ряд специфічних фізичних властивостей металів та їх сплавів: високі значення тепло - та електропровідності, велику пластичність тощо.
2. Поняття про комплексні сполуки. Це стійкі хімічні сполуки складного складу, в яких обов'язково є хоча б один зв'язок, що виник за донорно-акцепторним механізмом.
Комплексні сполуки складаються з комплексоутворювача та лігандів, що утворюють внутрішню сферу, та зовнішньої сфери, що складається з іонів, які компенсують заряд внутрішньої сфери.
Комплексоутворювач(центральний атом, ядро комплексу) - це атом або іон, який є акцептором електронних пар, надаючи вільні АТ, і займає центральне положення в комплексному з'єднанні. Найчастіше роль комплексоутворювачів грають іони d-металів. Якщо в комплексному поєднанні один комплексоутворювач, то воно називається моноядерним, якщо кілька поліядерним.
Ліганди– молекули або іони, які є донорами електронних пар і безпосередньо пов'язані з комплексоутворювачем. Як ліганди виступають молекули води, аміаку, галогенід-іони та багато інших. Якщо ліганд пов'язаний з комплексоутворювачем одним зв'язком його називаютьмонодентатним, якщо декількома -полідентатним.
Число зв'язків, які утворює комплексоутворювач з лігандами, називається координаційним числом.
Внутрішня сфера(комплекс,комплексний іон) - сукупність центрального атома та лігандів. У хімічних формулах полягає у квадратні дужки.
Залежно від заряду комплексного іона розрізняють катіонні, аніонні та нейтральні комплексні сполуки. Наприклад, K3[Fe(CN)6], [Ag(NH3)2]Cl, [Pt(NH3)3Cl2].
Зовнішня сфера– позитивно чи негативно заряджені іони, що нейтралізують заряд комплексного іона та пов'язані з ним іонним зв'язком.
3. Міжмолекулярні взаємодії та агрегатні стани речовини. Усередині молекул – міцні ковалентні зв'язки. Але й між молекулами є тяжіння, лише слабше. Якби його не було, то всі молекулярні речовини за всіх температур були б газами. Можливість існування речовин у твердому та рідкому стані свідчить про те, що між молекулами цих речовин діють сили тяжіння, які називають міжмолекулярними зв'язками чи взаємодіями (силами).
Залежно від природи частинок здійснюються різні види взаємодії. Розглянемо їх у порядку зменшення енергії взаємодії.
Водневий зв'язок. Водневий зв'язок виникає за рахунок тяжіння позитивно поляризованого атома водню однієї молекули (частини молекули) з електронегативним атомом іншої молекули (іншої частини молекули). Відповідно до цього розрізняють міжмолекулярні та внутрішньомолекулярні водневі зв'язки. Водневі зв'язки існують у HF, NH3, H2O та у багатьох інших речовинах.
Енергія водневого зв'язку значно менше енергії звичайного ковалентного зв'язку. Однак її достатньо, щоб спричинити асоціацію молекул. Саме асоціація молекул спричиняє аномально високі температури плавлення і кипіння таких речовин, як фтороводород, вода, аміак. Водневий зв'язок значною мірою визначає властивості татаких біологічно важливих речовин, як білки та нуклеїнові кислоти.
Іон-дипольна взаємодія. Здійснюється в розчинах між полярними молекулами розчинника та іонами розчиненої речовини, які відіграють важливу роль у багатьох біологічних системах.
Сили Ван-дер-Ваальса. Розрізняють три типи цих сил.Орієнтаційна(диполь-дипольна) взаємодія: полярні молекули, тобто диполі орієнтуються один до одного протилежно зарядженими кінцями і притягуються (але не так сильно, як при водневому зв'язку).Індукційнавзаємодія - притягнення дипольної молекули до наведеного нею (індукованого) диполя в молекулі, яка сама по собі неполярна.Дисперсійнавзаємодія - тяжіннямиттєвихдиполів, які утворюються в будь-якому атомі, іоні, молекулі через флуктуації електронної щільності. Дисперсійні сили – загальні всім речовин (молекулярних і немолекулярних, з полярної і неполярної зв'язком), але у чистому вигляді вони спостерігаються між неполярними молекулами.
Агрега́тний стан– стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями – здатністю чи нездатністю зберігати обсяг і форму, наявністю чи відсутністю далекого та ближнього порядку та іншими.Близький порядок– це впорядкованість у взаємному розташуванні сусідніх атомів чи молекул у речовині, яка повторюється лише з відстанях, порівнянних з відстанями між атомами.Далекий порядок- це впорядкованість у взаємному розташуванні атомів або молекул у речовині, яка повторюється на необмежено великих відстанях.
У сучасній фізиці виділяють такі агрегатні стани: тверде тіло, рідина, газ, плазма (повністю або частково іонізований газ).
Тверде тарідкі стани речовини відносяться до конденсованих станів - атоми або молекули речовини в них знаходяться настільки близько один до одного, що нездатні вільно рухатися. Для твердих тіл характерними є власна форма, механічна міцність, постійний об'єм. Залежно від ступеня впорядкованості частинок тверді речовини поділяються на кристалічні та аморфні. Тверда фаза кристалічних речовин складається з частинок (атомів, молекул, іонів), які утворюють однорідну структуру, що характеризується строгою повторюваністю одного і того ж елементарного осередку в усіх напрямках, тобто далеким порядком.
Елементарний осередок кристала– частина кристалічної решітки, паралельні переноси якої у трьох вимірах дозволяють побудувати всю кристалічну решітку. Кристалічні грати класифікують за типом частинок, що їх утворюють на іонні, атомні та молекулярні.
До особливостей твердої речовини відносяться: 1)анізотропія– неоднаковість усіх або кількох фізичних та хімічних властивостей речовини за різними напрямками, тобто залежність властивостей від напрямку; 2)поліморфізм- явище існування речовини в залежності від умов (температури та тиску) у різних кристалічних структурах; 3)ізоморфізм: якщо речовини мають подібні формулу і тип кристалічних ґрат, то вони можуть утворювати тверді розчини і називаються ізоморфними.
У аморфному стані спостерігається лише ближній порядок розташування частинок. Аморфні речовини – ізотропні, тобто властивості їх залежить від напрями.
Для рідкого стану характерні плинність та ізотропність. Рідини мають проміжну природу між твердими речовинами та газами. Вони спостерігається ближній порядок розташування молекул. Для рідкого станухарактерні броунівський рух, дифузія та леткість частинок, в'язкість (опір плинності), поверхневий натяг. Стан речовини, що характеризується наявністю одночасно властивостей і рідини (плинність) і кристала (анізатропність), називається рідкокристалічним станом.
Газ(від грец. хаос) - агрегатний стан речовини, що характеризується дуже слабкими зв'язками між складовими його частинками, (молекулами, атомами або іонами), а також їх великою рухливістю.
Газоподібний стан речовини в умовах, коли можливе існування стійкої рідкої або твердої фази цієї ж речовини, зазвичай називаєтьсяпаром. Подібно до рідин, гази мають плинність і опираються деформації. На відміну від рідин, гази не мають фіксованого об'єму та не утворюють вільної поверхні, а прагнуть заповнити весь доступний об'єм (наприклад, судини). Газоподібний стан – найпоширеніший стан речовини Всесвіту.