Межмолекулярное взаимодействие: вандерваальсовы силы и водородная химическая связь. Аномальные свойства воды и их объяснение с позиции ее строения

Ионная и металлическая связи. Особенности веществ с данными типами химической связи. Почему металлические и ионные кристаллические решетки являются более плотноупакованными по сравнению с ковалентными кристаллами?

Ковалентная химическая связь и ее характеристики. Образование общих электронных пар по обменному и донорно-акцепторному механизму.

Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающей за счет обобществления электронной пары, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по 1 электрону. Энергия связи и расстояние между атомами являются характеристиками химической связи.

Существует неполярная ковалентная связь, в которой общая электронная пара расположена в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. Она образуется между атомами с одинаковыми или близкими ЭО. Эти вещества обладают низкими температурами плавления и кипения и в воде не диссоциируют.

Полярная ковалентная связь – в этом случае общая электронная пара смещается в строну более ЭО элемента. Количественной характеристикой полярности связи или молекулы является дипольный момент.

Свойства: 1) Кратность определяется количеством общих электронных пар, связывающих атомы. С ее увеличением энергия увеличивается. 2)Насыщаемость показывает, что атом образует не любое, а строго определённое количество связей, которое зависит от количества неспаренных электронов и электронных пар, способных принимать участие в образовании химических связей (например, образование связи по донорно-акцепторному механизму). 3) Направленность – объясняется тем, что ковалентная связь образуется в тех направлениях, в которых возможно максимальное перекрытие атомных орбиталей.

Различные валентные углы в трех атомных молекулах связаны с явлением гибридизации орбиталей. Процесс гибридизации – участвующие в образовании химической связи орбитали данного атома как бы смешиваются, и из них образуется такое же количество орбиталей только одинаковой вытянутой несимметричной формы.

Разновидностью ковалентной связи является донорно-акцепторная связь, она осуществляется за счет того, что определенная электронная пара одного из атомов обобществляется со свободной атомной орбиталью другого атома. Атом, предоставляющий неподелённую пару электронов называется донором, а атом, предоставляющий свободную орбиталь – акцептором.

Простой обменный механизм – атомы образуют общие электронные пары за счет объединения неспаренных электронов.

Ионная химическая связь – это связь, образовавшаяся за счет электростатического притяжения катионов к анионам. Атомы, присоединившие электроны, превращаются в отрицательные ионы, или анионы. Атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы, или катионы. Между анионами и катионами возникают силы электростатического притяжения, которые удерживают их около друг друга, осуществляя тем самым ионную химическую связь. Ионные соединения представляют собой твердые, прочные, тугоплавкие вещества с высокой температурой плавления. Растворы и расплавы большинства ионных соединений – электролиты.

Металлическая связь – это связь в металлах и сплавах между катионами металлов, расположенных в узлах кристаллической решетки, которая осуществляется обобществленными валентными электронами. Такая химическая связь ненаправленная, ненасыщенная, характеризуется небольшим числом валентных электронов и большим числом свободных орбиталей, что характерно для атомов металлов.

Наличием металлической связи обусловлены физические свойства металлов и сплавов: твердость, электрическая проводимость и теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск. Вещества с металлической связью имеют металлическую кристаллическую решетку.

Благодаря обобществлению свободных электронов между всеми атомами металла, металлы обладают высокой прочностью и высокой электропроводностью.

Одним из видов межмолекулярных взаимодействий, которые обуславливают притяжение молекул друг к другу в твердом и жидком состояниях, является водородная связь.

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно ЭО элементов, имеющих неподеленные электронные пары другой молекулы (или ее части), называют водородной. Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер. При наличии такой химической связи даже низкомолекулярные вещества могут быть при обычных условиях жидкостями (этиловый спирт, вода) или легко сжимающимися газами (аммиак, фтороводород). Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.

Помимо водородной связи существуют другие силы межмолекулярного взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса (в честь голландского физика). В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей, но в различных веществах механизм возникновения диполей различен.

Ван-дер-ваальсовы силы не достаточны для образования молекул, но способствуют образованию жидкостей и кристаллов при низких температурах. Они имеются в веществах с атомными, ионными и металлическими кристаллическими решетками, но в этих случаях их вклад в общую энергию связи несущественен.

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н₂О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар или сравнительно высокая удельная теплота испарения воды. В первую очередь структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическими особенностями взаимодействия протона с атомами.
Однако наличие водородной связи у воды — это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды, как целостной системы.
Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе -наблюдается ближний порядок расположения молекул. Было показано, что для жидкой воды характерно упорядоченное размещение молекул воды.

Дата добавления: 2015-04-24