Металлическая и водородная связь. Агрегатное состояние вещества

Химия

Лекция

Тема: Металлическая связь. Водородная связь. Агрегатное

состояние вещества

План

1. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая химическая связь.

Физические свойства металлов.

2. Агрегатные состояния веществ и водородная связь.

3. Твердое жидкое и газообразное состояния веществ.

1. Металлическая связь – это связь между ионами металлов и относительно свободными электронами, движущимися по всему объему кристалла. Она характерна для металлов в твердом и жидком состояниях. Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, но много свободных валентных орбиталей. Например, в атоме магния на два валентных электрона приходится девять валентных орбиталей (одна 3s, три 3p и пять 3d). Кроме этого атомы металлов обладают большими радиусами, поэтому валентные электроны слабо удерживаются в атоме и перемещаются по всему кристаллу.

В отличие от ковалентной связи металлическая связь не имеет направленности и не обладает насыщаемостью.

Особенности металлической связи определяют физические и механические свойства металлов: все металлы твердые вещества, кроме ртути (при н. у.), имеют металлический блеск и непрозрачность, хорошую тепло- и электропроводность, ковкость и пластичность.

Физические свойства металлов. В обычных условиях все металлы, за исключением ртути, являются твердыми веществами с металлической кристаллической решеткой, особенности которой определяют их общие физические и механические свойства.

Металлический блеск и непрозрачность металлов – результат отражения световых лучей. Электро- и теплопроводность обусловлены наличием в металлических решетках свободных электронов.

С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается, а с понижением температуры – увеличивается. Около абсолютного нуля для многих металлов характерно явление сверхпроводимости.

Металлы обладают ковкостью и пластичностью. По определению М.В. Ломоносова, «металлоломом называется светлое тело, которое ковать можно». Металлы легко прокатываются в листы, вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, штамповке, прессованию.

По отдельным физическим свойствам металлы подразделяют:

- по значению плотности – на легкие (плотность меньше 5г/см³): Na, Ca, Mg, Al, Ti - и тяжелые (плотность больше 5г/см³): Zn, Cr, Sn, Mn, Ni, Cu, Ag, Pb, Hg, Au, W, Os.

- по значению температуры плавления – на легкоплавкие (температура меньше 1000 градусов): Hg, Na, Sn, Pb, Zn, Mg, Al, Ca, Ag – и тугоплавкие температура более 1000): Au, Cu, Mn, Ni, Fe, Ti, Cr, Os, W.

Из металлов самые мягкие – щелочные) их можно резать ножом), самый твердый – хром (царапает стекло), самый тугоплавкий – вольфрам, самый тяжелый – осмий.

По отношению к магнитным полям металлы подразделяются на три группы:

а) ферромагнитные – способны намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей (Fe, Co, Ni);

б) парамагнитные – проявляют слабую способность к намагничиванию даже в сильных магнитных полях (Al, Cr, Ti);

в) диамагнитные – не притягиваются к магниту (Sn, Cu, Bi).

В заключении рассмотрим влияние электронных конфигураций элементов на структуру и физические свойства простых веществ, образованных ими.

Простые вещества, образованные остальными элементами (кроме радона), имеют металлическую решетку.

В Периодической системе в начале периодов расположены химические элементы, атомы которых содержат на внешнем уровне небольшое количество электронов, а образованные ими простые вещества имеют металлическую решетку. Далее следуют элементы с большим числом электронов на внешнем уровне атома, образующие простые вещества с атомной решеткой. И завершают периоды элементы, атомы которых образуют простые вещества, имеющие молекулярную решетку.

2. Водородная связь. Образование водородной связи обусловлено спецификой водорода как элемента, атом которого состоит из протона и электрона. В соединениях водорода с атомами более электроотрицательных элементов на атоме водорода возникает частичный положительный заряд. Такой атом может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома электроотрицательного элемента соседней молекулы, в результате между молекулами возникает дополнительная межмолекулярная связь.

Водородная связь – это связь, которая образуется между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом сильно электроотрицательного элемента другой молекулы.

Чем больше электроотрицательность атома, с которым соединяется атом водорода, тем больше энергия водородной связи.

Водородная связь наиболее характерна для соединений фтора и кислорода, менее для соединений – азота. Образование водородной связи приводит к ассоциации (соединению) молекул.

Рассмотрим образование водородной связи между двумя молекулами воды. В молекуле воды связь О-Н сильно полярная. На атоме кислорода сосредоточен отрицательный заряд, а на атомах водорода – положительный. Это приводит к притяжению атома водорода одной молекулы воды к атому кислорода другой молекулы – возникает водородная связь.

В кристаллах льда, снега каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя соседними – за счет атомов водорода и двух неподеленных электронных пар атома кислорода. Следовательно, образование водородной связи обусловлено как электростатическим, так и донорно-акцепторным взаимодействием. В результате образуется ажурная (с большими пустотами) структура льда. Из-за этого плотность льда меньше, чем плотность воды.

Способностью к ассоциации обладают молекулы как неорганических, так и органических соединений (вода, аммиак, спирты и др.)

Водородная связь как и ковалентная, имеют направленность в пространстве и насыщаемость.

Длина водородной связи больше длины обычной ковалентной связи, энергия – в 10-20 раз меньше. В связи с этим водородные связи малоустойчивы и довольно легко разрываются (например, при таянии льда и кипении воды). Но на разрыв этих связей требуется дополнительная энергия, поэтому температуры плавления и кипения веществ, в которых молекулы ассоциированы, оказываются выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей. Например, между молекулами фтороводорода и воды образуются водородные связи, а между молекулами хлороводорода и сероводорода – практически нет.

Водородная связь служит причиной некоторых важных особенностей воды – вещества, которое играет огромную роль в процессах, протекающих в живой и неживой природе. Она в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты, а поэтому имеет большое значение в химии жизненных процессов.

3. Газообразные, жидкие и твердые вещества.

Из курса физики и повседневной жизни вам известно, что в зависимости от условий окружающей среды, и в первую очередь от температуры и давления, вещества могут находиться в одном из трех основных агрегатных состояний: газообразном, жидком и твердом. Каждое агрегатное состояние отличается от другого расположением частиц друг относительно друга и характером их движения. При переходе вещества из одного состояния в другое состав его частиц не изменяется, изменяется лишь их взаимное расположение.

Газообразное состояние. В газообразном состоянии вещество не имеет собственной формы и объема. Оно занимает весь предоставленный ему объем и принимает форму сосуда. Газы обладают большой сжимаемостью и образуют однородные смеси. Эти свойства газов обусловлены тем, что расстояния между их молекулами в десятки раз превы­шают размер самих молекул. На таком расстоянии практически отсутствует межмолекулярное взаимодействие. Га­зообразное состояние характеризуется полной неупорядоченно­стью расположения молекул друг относительно друга. Молекулы в газах движутся хаотически. Если газы в смеси не реагируют между собой, то они сохраняют свою химическую индивидуальность, и поэтому многие физико­химические свойства таких систем могут быть выведены по пра­вилу аддитивности: суммированием характеристик образую­щих их газов с учетом их мольных долей. Например, средняя молярная масса смеси газов X, Y, Z определяется так:

М(Х + Y + Z) = х(Х) • М(Х) + _X(Y) • М(Y) + *(Z) • М(Z),

где х(Х), x(Y) x(Z) — мольные доли газов X, Y, Z;

М(Х), М(Y), М(Z) — молярные массы газов X, Y, Z.

Четвертое агрегатное состояние — плазма, которая представляет собой ионизированный газ.

Жидкое состояние

В отличие от газов, в жидкостях молекулы расположены бли­же друг к другу и удерживаются силами межмолекулярного взаи­модействия (рис. 226). Это подтверждает, например, тот факт, что один объем воды образуется в результате конденсации 1300 объе­мов пара. Расстояние между частицами в жидкостях невелико, по­этому жидкости обладают незначительной сжимаемостью, при данной температуре им присущ определенный объем. Чтобы за­метно уменьшить их объем, требуется очень большое давление. В то же время силы межмолекулярного притяжения в жидкостях недостаточно велики, чтобы придать им определенную форму. Мо­лекулы в жидкости свободно перемещаются друг относительно друга, поэтому жидкости обладают текучестью и приобретают форму содержащего их сосуда.

Следовательно, жидкости по структуре и свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми ве­ществами. С повышением температуры жидкости усиливается бес­порядок во взаимном расположении частиц, что приближает их к газам. При понижении температуры упорядоченность внутренней структуры возрастает, что сближает их с твердыми веществами.

Твердое состояние

В твердом агрегатном состоянии среднее расстояние между образующими вещество частицами сопоставимо с их размерами, а энергия взаимодействия значительно превышает их среднюю кинетическую энергию. Частицы, образующие твердое веще­ство, не могут свободно перемещаться друг относительно друга, они лишь совершают колебательные движения около положе­ния равновесия. Этим объясняются наличие у твердых веществ определенного объема и формы, их механическая прочность и незначительная сжимаемость. В зависимости от строения и фи­зических свойств твердые вещества подразделяют на аморфные и кристаллические.

Аморфное состояние

Вещества в аморфном состоянии характеризуются некоторой упорядоченностью частиц, расположенных только в непосред­ственной близости друг от друга (так называемый ближний по­рядок), поэтому они изотропны, т. е. их физические свойства не зависят от направления. Проведем опыт. Нанесем на поверхность стекла тонкий ело расплавленного воска и дадим ему застыть. Коснемся застывшего вещества раскаленной иглой. Вокруг иглы воск расплавится. При этом пятно расплавленного воска примет форму круга. Следовательно, теплопроводность стекла не зависит от направления.

Аморфные вещества не имеют определенной температур плавления. При нагревании они постепенно размягчаются, начинают растекаться и, наконец, становятся жидкими. При охлаж- дении они так же постепенно затвердевают.

Аморфные вещества по структуре представляют собой переохлажденные жидкости. Подобно жидкостям они проявляют cвойства текучести, т. е. при длительном действии сравнительно не больших сил постепенно изменяют свою форму.

Примерами веществ в аморфном состоянии могут служить стекла, смолы, клеи, большинство полимеров и т. д.

Кристаллическое состояние

Большинство твердых веществ в окружающем нас мире являются кристаллическими. Для этого состояния характерно строго определенное расположение частиц во всем объеме кристалл (дальний порядок), поэтому в отличие от аморфных кристаллические вещества обладают анизотропией, т. е. их физические свойства (прочность, теплопроводность и т. д.) неодинако вы в различных направлениях. Так, если вышеописанный опыт проделать на гладкой поверхности гипса, то пятно расплавленного воска примет форму эллипса. Значит, теплопроводность гипса в одном направлении более высокая, чем в других.

Кристаллическое вещество в отличие от аморфного плавите; при строго определенной температуре, которую называют температурой плавления. Температура плавления — одно и важнейших физических свойств вещества, измеряя ее, можно определить чистоту данного вещества.

Д/з §3.3-3.4