Το μάθημα θα καλύψει διάφορους τύπους χημικών δεσμών: μεταλλικούς, υδρογόνους και van der Waals, και θα μάθετε επίσης πώς εξαρτώνται οι φυσικές και χημικές ιδιότητες διαφορετικών τύπωνχημικοί δεσμοί σε μια ουσία.
Θέμα: Είδη χημικών δεσμών
Μάθημα: Χημικοί δεσμοί μετάλλων και υδρογόνου
Μεταλλική σύνδεση Είναι ένας τύπος δεσμού σε μέταλλα και στα κράματά τους μεταξύ ατόμων ή ιόντων μετάλλου και σχετικά ελεύθερων ηλεκτρονίων (αέριο ηλεκτρονίων) στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Τα μέταλλα είναι χημικά στοιχεία με χαμηλή ηλεκτραρνητικότητα, επομένως εγκαταλείπουν εύκολα τα ηλεκτρόνια σθένους τους. Εάν υπάρχει ένα αμέταλλο δίπλα σε ένα μεταλλικό στοιχείο, τότε τα ηλεκτρόνια από το άτομο μετάλλου πηγαίνουν στο αμέταλλο. Αυτός ο τύπος σύνδεσης ονομάζεται ιωνικός(Εικ. 1).
Ρύζι. 1. Εκπαίδευση
Σε περίπτωση απλές ουσίες μέταλλαή τους κράματα, η κατάσταση αλλάζει.
Όταν σχηματίζονται μόρια, τα τροχιακά ηλεκτρονίων των μετάλλων δεν παραμένουν αμετάβλητα. Αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα νέο μοριακό τροχιακό. Ανάλογα με τη σύνθεση και τη δομή της ένωσης, τα μοριακά τροχιακά μπορεί να είναι είτε κοντά στο σύνολο των ατομικών τροχιακών είτε σημαντικά διαφορετικά από αυτά. Όταν τα τροχιακά ηλεκτρονίων των ατόμων μετάλλου αλληλεπιδρούν, σχηματίζονται μοριακά τροχιακά. Τέτοια ώστε τα ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου μετάλλου να μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα από αυτά τα μοριακά τροχιακά. Δεν πραγματοποιείται πλήρης διαχωρισμός φορτίου, δηλ. μέταλλο- δεν πρόκειται για μια συλλογή κατιόντων και ηλεκτρονίων που επιπλέουν. Αλλά αυτό δεν είναι μια συλλογή ατόμων που μερικές φορές μετατρέπονται σε κατιονική μορφή και μεταφέρουν το ηλεκτρόνιό τους σε άλλο κατιόν. Η πραγματική κατάσταση είναι ένας συνδυασμός αυτών των δύο ακραίων επιλογών.
Ρύζι. 2
Η ουσία του σχηματισμού μεταλλικών δεσμών αποτελείται απόως εξής: τα άτομα μετάλλου δίνουν εξωτερικά ηλεκτρόνια και μερικά από αυτά μετατρέπονται σε θετικά φορτισμένα ιόντα. Σχισμένο μακριά από άτομα ηλεκτρόνιακινούνται σχετικά ελεύθερα μεταξύ των αναδυόμενων θετικόςμεταλλικά ιόντα. Ένας μεταλλικός δεσμός δημιουργείται μεταξύ αυτών των σωματιδίων, δηλαδή, τα ηλεκτρόνια φαίνεται να τσιμεντώνουν θετικά ιόντα στο μεταλλικό πλέγμα (Εικ. 2).
Η παρουσία ενός μεταλλικού δεσμού καθορίζει τις φυσικές ιδιότητες των μετάλλων:
Υψηλή ολκιμότητα
Θερμότητα και ηλεκτρική αγωγιμότητα
Μεταλλική λάμψη
Πλαστική ύλη - αυτή είναι η ικανότητα ενός υλικού να παραμορφώνεται εύκολα υπό μηχανικό φορτίο. Ένας μεταλλικός δεσμός πραγματοποιείται μεταξύ όλων των ατόμων μετάλλου ταυτόχρονα, επομένως, όταν ένα μέταλλο υποβάλλεται σε μηχανική δράση, δεν σπάνε συγκεκριμένοι δεσμοί, αλλά αλλάζει μόνο η θέση του ατόμου. Τα άτομα μετάλλου, που δεν συνδέονται με άκαμπτους δεσμούς μεταξύ τους, μπορούν, σαν να λέγαμε, να γλιστρήσουν κατά μήκος ενός στρώματος αερίου ηλεκτρονίων, όπως συμβαίνει όταν ένα ποτήρι ολισθαίνει πάνω από ένα άλλο με ένα στρώμα νερού ανάμεσά τους. Χάρη σε αυτό, τα μέταλλα μπορούν εύκολα να παραμορφωθούν ή να τυλιχτούν σε λεπτό φύλλο. Τα πιο όλκιμα μέταλλα είναι ο καθαρός χρυσός, το ασήμι και ο χαλκός. Όλα αυτά τα μέταλλα βρίσκονται στη φύση σε φυσική μορφή σε διάφορους βαθμούς καθαρότητας. Ρύζι. 3.
Ρύζι. 3. Μέταλλα που βρίσκονται στη φύση σε φυσική μορφή
Από αυτά κατασκευάζονται διάφορα κοσμήματα, ειδικά χρυσός. Λόγω της εκπληκτικής πλαστικότητάς του, ο χρυσός χρησιμοποιείται στη διακόσμηση των παλατιών. Μπορείτε να απλώσετε αλουμινόχαρτο από αυτό σε πάχος μόνο 3. 10 -3 χλστ. Ονομάζεται φύλλο χρυσού και εφαρμόζεται σε γύψο, καλούπια ή άλλα αντικείμενα.
Θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα . Ο χαλκός, το ασήμι, ο χρυσός και το αλουμίνιο μεταφέρουν καλύτερα τον ηλεκτρισμό. Επειδή όμως ο χρυσός και το ασήμι είναι ακριβά μέταλλα, φθηνότερος χαλκός και αλουμίνιο χρησιμοποιούνται για την κατασκευή καλωδίων. Οι χειρότεροι ηλεκτρικοί αγωγοί είναι το μαγγάνιο, ο μόλυβδος, ο υδράργυρος και το βολφράμιο. Στο βολφράμιο ηλεκτρική αντίστασητόσο σπουδαίο που όταν περνάει ηλεκτρικό ρεύμααρχίζει να λάμπει. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στην κατασκευή λαμπτήρων πυρακτώσεως.
Θερμοκρασία σώματοςείναι ένα μέτρο της ενέργειας των συστατικών ατόμων ή μορίων του. Το αέριο ηλεκτρονίων ενός μετάλλου μπορεί να μεταφέρει την περίσσεια ενέργειας αρκετά γρήγορα από το ένα ιόν ή άτομο στο άλλο. Η θερμοκρασία του μετάλλου εξισορροπείται γρήγορα σε όλο τον όγκο, ακόμα κι αν η θέρμανση συμβαίνει στη μία πλευρά. Αυτό παρατηρείται, για παράδειγμα, εάν βουτήξετε ένα μεταλλικό κουτάλι στο τσάι.
Μεταλλική λάμψη. Γυαλάδα είναι η ικανότητα ενός σώματος να αντανακλά τις ακτίνες του φωτός. Το ασήμι, το αλουμίνιο και το παλλάδιο έχουν υψηλή ανακλαστικότητα φωτός. Επομένως, αυτά τα μέταλλα εφαρμόζονται σε ένα λεπτό στρώμα στη γυάλινη επιφάνεια για την κατασκευή προβολέων, προβολέων και καθρεφτών.
Δεσμός υδρογόνου
Ας εξετάσουμε τις θερμοκρασίες βρασμού και τήξης των ενώσεων υδρογόνου των χαλκογόνων: οξυγόνο, θείο, σελήνιο και τελλούριο. Ρύζι. 4.
Ρύζι. 4
Αν υπολογίσουμε διανοητικά τις θερμοκρασίες άμεσης βρασμού και τήξης των ενώσεων υδρογόνου του θείου, του σεληνίου και του τελλουρίου, θα δούμε ότι το σημείο τήξης του νερού πρέπει να είναι περίπου -100 0 C και το σημείο βρασμού - περίπου -80 0 C. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει ένα κενό μεταξύ της αλληλεπίδρασης των μορίων του νερού - δεσμός υδρογόνου, ο οποίος ενώνει μόρια νερού στον σύλλογο . Απαιτείται πρόσθετη ενέργεια για την καταστροφή αυτών των συνεργατών.
Ένας δεσμός υδρογόνου σχηματίζεται μεταξύ ενός εξαιρετικά πολωμένου, πολύ θετικά φορτισμένου ατόμου υδρογόνου και ενός άλλου ατόμου με πολύ υψηλή ηλεκτραρνητικότητα: φθόριο, οξυγόνο ή άζωτο . Παραδείγματα ουσιών ικανών να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου φαίνονται στο Σχ. 5.
Ρύζι. 5
Εξετάστε το σχηματισμό δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού.Ένας δεσμός υδρογόνου αντιπροσωπεύεται από τρεις τελείες. Η εμφάνιση δεσμού υδρογόνου οφείλεται στο μοναδικό χαρακτηριστικό του ατόμου υδρογόνου. Δεδομένου ότι το άτομο υδρογόνου περιέχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, όταν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων απομακρύνεται από ένα άλλο άτομο, ο πυρήνας του ατόμου υδρογόνου εκτίθεται, το θετικό φορτίο του οποίου δρα στα ηλεκτραρνητικά στοιχεία στα μόρια των ουσιών.
Ας συγκρίνουμε τις ιδιότητες αιθυλική αλκοόλη και διμεθυλαιθέρα. Με βάση τη δομή αυτών των ουσιών, προκύπτει ότι η αιθυλική αλκοόλη μπορεί να σχηματίσει διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου. Αυτό οφείλεται στην παρουσία μιας υδροξοομάδας. Ο διμεθυλαιθέρας δεν μπορεί να σχηματίσει διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου.
Ας συγκρίνουμε τις ιδιότητές τους στον Πίνακα 1.
Τραπέζι 1
Σημείο βρασμού, σ.τ., η διαλυτότητα στο νερό είναι υψηλότερη για την αιθυλική αλκοόλη. Αυτό είναι ένα γενικό πρότυπο για ουσίες των οποίων τα μόρια σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου. Αυτές οι ουσίες χαρακτηρίζονται από υψηλότερο σημείο βρασμού, θερμοκρασία τήξης, διαλυτότητα στο νερό και χαμηλότερη πτητικότητα.
Φυσικές ιδιότητες Οι ενώσεις εξαρτώνται επίσης από το μοριακό βάρος της ουσίας. Επομένως, είναι θεμιτό να συγκρίνουμε τις φυσικές ιδιότητες των ουσιών με δεσμούς υδρογόνου μόνο για ουσίες με παρόμοια μοριακή μάζα.
Ενέργειαένας δεσμός υδρογόνουπερίπου 10 φορές λιγότερο ενέργεια ομοιοπολικού δεσμού. Εάν τα οργανικά μόρια πολύπλοκης σύνθεσης έχουν πολλές λειτουργικές ομάδες ικανές να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου, τότε μπορούν να σχηματιστούν ενδομοριακοί δεσμοί υδρογόνου σε αυτά (πρωτεΐνες, DNA, αμινοξέα, ορθονιτροφαινόλη κ.λπ.). Λόγω του δεσμού υδρογόνου, σχηματίζεται η δευτερογενής δομή των πρωτεϊνών, η διπλή έλικα του DNA.
Σύνδεση Van der Waals.
Ας θυμηθούμε τα ευγενή αέρια. Ενώσεις ηλίου δεν έχουν ακόμη ληφθεί. Δεν είναι ικανό να σχηματίσει συνηθισμένους χημικούς δεσμούς.
Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μπορεί να ληφθεί υγρό ή ακόμη και στερεό ήλιο. Στην υγρή κατάσταση, τα άτομα ηλίου συγκρατούνται μεταξύ τους με ηλεκτροστατικές δυνάμεις έλξης. Υπάρχουν τρεις παραλλαγές αυτών των δυνάμεων:
· δυνάμεις προσανατολισμού. Αυτή είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο διπόλων (HCl)
· επαγωγική έλξη. Αυτή είναι η έλξη μεταξύ ενός διπόλου και ενός μη πολικού μορίου.
· έλξη διασποράς. Αυτή είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο μη πολικών μορίων (He). Εμφανίζεται λόγω της ανομοιόμορφης κίνησης των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα.
Συνοψίζοντας το μάθημα
Το μάθημα καλύπτει τρεις τύπους χημικών δεσμών: μεταλλικούς, υδρογόνους και van der Waals. Εξηγήθηκε η εξάρτηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων από διαφορετικούς τύπους χημικών δεσμών σε μια ουσία.
Αναφορές
1. Ρουτζίτης Γ.Ε. Χημεία. Βασικά γενική χημεία. 11η τάξη: εγχειρίδιο για ιδρύματα γενικής εκπαίδευσης: βασικό επίπεδο / Γ.Ε. Ρουτζίτης, Φ.Γ. Φέλντμαν. - 14η έκδ. - Μ.: Εκπαίδευση, 2012.
2. Πόπελ Π.Π. Χημεία: 8η τάξη: εγχειρίδιο γενικής παιδείας εκπαιδευτικά ιδρύματα/ Π.Π. Popel, L.S. Krivlya. - Κ.: IC "Academy", 2008. - 240 pp.: ill.
3. Gabrielyan O.S. Χημεία. 11η τάξη. Βασικό επίπεδο. 2η έκδ., διαγράφεται. - M.: Bustard, 2007. - 220 σελ.
Σχολική εργασία στο σπίτι
1. Νο 2, 4, 6 (σελ. 41) Ρουτζίτης Γ.Ε. Χημεία. Βασικές αρχές της γενικής χημείας. 11η τάξη: εγχειρίδιο για ιδρύματα γενικής εκπαίδευσης: βασικό επίπεδο / Γ.Ε. Ρουτζίτης, Φ.Γ. Φέλντμαν. - 14η έκδ. - Μ.: Εκπαίδευση, 2012.
2. Γιατί χρησιμοποιείται βολφράμιο για την κατασκευή νημάτων λαμπτήρων πυρακτώσεως;
3. Τι εξηγεί την απουσία δεσμών υδρογόνου στα μόρια αλδεΰδης;
Όπως αναφέρθηκε ήδη στην παράγραφο 4.2.2.1, μεταλλική σύνδεση- ηλεκτρονική επικοινωνία ατομικούς πυρήνεςμε ελάχιστο εντοπισμό κοινών ηλεκτρονίων τόσο σε μεμονωμένους (σε αντίθεση με έναν ιοντικό δεσμό) πυρήνες όσο και σε μεμονωμένους (σε αντίθεση με έναν ομοιοπολικό δεσμό) δεσμούς. Ως αποτέλεσμα, είναι ένα πολυκεντρικό χημικός δεσμόςμε ανεπάρκεια ηλεκτρονίων, στην οποία τα κοινωνικοποιημένα ηλεκτρόνια (με τη μορφή «αερίου ηλεκτρονίων») παρέχουν επικοινωνία με τον μέγιστο δυνατό αριθμό πυρήνων (κατιόντων) που σχηματίζουν τη δομή υγρών ή στερεών μεταλλικών ουσιών. Επομένως, ο μεταλλικός δεσμός στο σύνολό του είναι μη κατευθυντικός και κορεσμένος περιοριστική περίπτωση μετεγκατάστασης ενός ομοιοπολικού δεσμού.Ας θυμηθούμε ότι στα καθαρά μέταλλα ο μεταλλικός δεσμός εμφανίζεται κυρίως ομοπυρηνική, δηλ. δεν μπορεί να έχει ιονικό συστατικό. Ως αποτέλεσμα, μια τυπική εικόνα της κατανομής της πυκνότητας ηλεκτρονίων στα μέταλλα είναι οι σφαιρικά συμμετρικοί πυρήνες (κατιόντα) σε ένα ομοιόμορφα κατανεμημένο αέριο ηλεκτρονίων (Εικ. 5.10).
Κατά συνέπεια, η τελική δομή των ενώσεων με έναν κυρίως μεταλλικό τύπο δεσμού καθορίζεται κυρίως από τον στερικό παράγοντα και την πυκνότητα πλήρωσης στο κρυσταλλικό πλέγμα αυτών των κατιόντων (υψηλό CN). Η μέθοδος BC δεν μπορεί να ερμηνεύσει μεταλλικούς δεσμούς. Σύμφωνα με το MMO, ένας μεταλλικός δεσμός χαρακτηρίζεται από ανεπάρκεια ηλεκτρονίων σε σύγκριση με έναν ομοιοπολικό δεσμό. Η αυστηρή εφαρμογή του MMO σε μεταλλικούς δεσμούς και συνδέσεις οδηγεί σε θεωρία ζώνης(ηλεκτρονικό μοντέλο μετάλλου), σύμφωνα με το οποίο στα άτομα που περιλαμβάνονται στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός μετάλλου, υπάρχει μια αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων σχεδόν ελεύθερου σθένους που βρίσκονται σε εξωτερικές τροχιές ηλεκτρονίων με το (ηλεκτρικό) περιοδικό πεδίο του κρυσταλλικού πλέγματος. Ως αποτέλεσμα, τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων διασπώνται και σχηματίζουν μια περισσότερο ή λιγότερο ευρεία ζώνη. Σύμφωνα με τις στατιστικές Fermi, η υψηλότερη ενεργειακή ζώνη κατοικείται από ελεύθερα ηλεκτρόνια μέχρι την πλήρη πλήρωση, ειδικά εάν οι όροι ενέργειας ενός μεμονωμένου ατόμου αντιστοιχούν σε δύο ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα σπιν. Ωστόσο, μπορεί να γεμίσει μερικώς, γεγονός που παρέχει την ευκαιρία στα ηλεκτρόνια να μετακινηθούν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Τότε
αυτή η ζώνη ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας. Υπάρχουν διάφοροι βασικοί τύποι σχετικής διάταξης ενεργειακών ζωνών, που αντιστοιχούν σε μονωτή, μονοσθενές μέταλλο, δισθενές μέταλλο, ημιαγωγό με εγγενή αγωγιμότητα, ημιαγωγό τύπου και ημιαγωγό ακαθαρσιών/τύπου b. Ο λόγος των ενεργειακών ζωνών καθορίζει επίσης τον τύπο αγωγιμότητας ενός στερεού.
Ωστόσο, αυτή η θεωρία δεν επιτρέπει ποσοτικό χαρακτηρισμό διαφόρων μεταλλικών ενώσεων και δεν έχει οδηγήσει σε λύση στο πρόβλημα της προέλευσης των πραγματικών κρυσταλλικών δομών μεταλλικών φάσεων. Η ειδική φύση των χημικών δεσμών σε ομοπυρηνικά μέταλλα, κράματα μετάλλωνκαι οι διαμεταλλικές ετεροενώσεις θεωρήθηκαν από τον N.V. Ageev)