Т. Я. Таратайченко Строение вещества
Скачать 471.49 Kb.
|
Управление образования Администрации Тяжинского района муниципальное общеобразовательное учреждение Итатская средняя (полная) общеобразовательная школа Тяжинского района Кемеровской области Т. Я. Таратайченко Строение вещества Справочное пособие по химии Итатский 2007 Рекомендовано районным экспертным советом протокол № ____ от __________________ Автор – составитель Т. Я. Таратайченко учитель химии муниципального общеобразовательного учреждения Итатской средней (полной) общеобразовательной школы Тяжинского района Кемеровской области Рецензенты: Н. Л. Павлова учитель химии муниципального общеобразовательного учреждения Тяжинской средней (полной) общеобразовательной школы №3 О. В. Мартыненко учитель химии муниципального общеобразовательного учреждения «Тяжинская средняя (полная) общеобразовательная школа №1» Консультант Ю. В. Швайко методист муниципального образовательного учреждения дополнительного профессионального образования «Информационно – методический центр» Пособие содержит справочную информацию о строении вещества: виды химической связи (ионная, ковалентная), свойства химической связи, основные квантово-механические методы описания строения вещества – метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей. Адресовано учителям химии, а так же учащимся 11 класса, абитуриентам ВУЗов. Содержание Введение 4 1. Химическая связь 6 1.1. Энергия химической связи 7 1.2. Длина химической связи 8 1.3. Дипольный момент и направленность связи 9 2. Виды химической связи 11 2.1. Ионная связь 11 2.2. Ковалентная связь 14 2.3. Метод валентных связей 16 2.3.1. Валентность 17 2.3.2. Насыщаемость ковалентной связи 19 2.3.3. Поляризация химической связи 20 2.3.4. Направленность ковалентной связи 21 2.3.5. Кратность химической связи 28 2.4. Метод молекулярных орбиталей 29 Заключение 38 Литература 39 Приложение 40 Введение Химическая наука всегда была востребована, но в настоящее время она особо актуальна. Химия – это наука будущего и всё большее количество выпускников школ выбирает химические специальности. Уровень сложности вступительных экзаменов ежегодно возрастает, а значит, для потенциальных абитуриентов химических ВУЗов возрастает необходимость в более глубоких знаниях по химии, чем те, которые формируются на уроках в общеобразовательных классах. Обучающиеся не всегда могут ответить на такие вопросы как: почему одни вещества стабильны и устойчивы, а другие не могут существовать, каковы причины сходства или отличия в свойствах химических соединений и т. п. На большую часть вопросов можно найти ответ, изучая строение вещества. Этот вопрос является одним из наиболее важных в химии, так как именно строение вещества определяет физические и химические свойства соединений. Вот почему необходимо уделять особое внимание формированию у обучающихся знаний по данной теме. Теория строения вещества подробно и глубоко излагается только в учебных пособиях предназначенных для высших учебных заведений, но они очень сложны для восприятия школьников, так как их текст включает большое количество научных терминов, экспериментальных данных, сложных математических выкладок. Данное пособие содержит материал, адаптированный для восприятия учащихся. В предлагаемом пособии изложены основы теории строения вещества. Особое внимание уделено рассмотрению таких видов химической связи как ионная и ковалентная, их взаимосвязи. Подробно изложены способы образования (обменный и донорно-акцепторный механизмы), характеристики и свойства ковалентной связи (насыщаемость, поляризация, направленность, способы перекрывания электронных орбиталей – σ- и π-связи, направленность, кратность и т. п.). В разделе «Направленность химической связи», рассмотрены основные виды гибридизации (sp-, sp2-, sp3-) центрального атома и зависимость от этого пространственного строения молекулярных соединений. В пособии так же уделяется внимание рассмотрению основных способов описания строения вещества – методу валентных связей (МВС) и методу молекулярных орбиталей (ММО). Данным материал бывает часто востребован при подготовке учащихся к вступительным экзаменам по химии. Материал данного пособия позволяет раскрыть вопросы строения вещества более подробно и глубоко чем предполагает учебная программа, поэтому может быть использован в качестве справочной информации при подготовке к урокам в общеобразовательных и профильных классах, а также при подготовке к факультативным занятиям или для консультирования выпускников школы при подготовке к вступительным экзаменам по химии. Текст пособия содержит большое количество рисунков и таблиц, все основные понятия сопровождаются определениями, что позволяет легко воспринимать изложенный материал даже учащимся, поэтому данное пособие может быть рекомендовано для учащихся старших классов как справочник по теме «Строение вещества». В разделе «Приложения» содержится информация об учёных, внесших вклад в создание и развитие теории строения вещества, что позволяет расширить кругозор школьников. 1. Химическая связь Понятие «химическая связь» является одним из важнейших в химии. Физические и химические свойства вещества определяются его строением. Что же понимают под строением вещества? Это совокупность энергетических, геометрических и квантово-химических характеристик, таких как: длина, кратность, энергия связи, пространственная направленность электронных орбиталей, распределение эффективных зарядов атомов и т.д. Но строение вещества в первую очередь определяется характером химических связей между всеми атомами, образующими молекулу. Итак, что же понимают под химической связью. Химическая связь – явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных орбиталей связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии образующейся частицы (молекулы, кристалла, комплекса и т.д.) Что заставляет частицы образовывать химическую связь? Английский физик и химик У. Рамзай профессор Бристольского и Лондонского университетов совместно с Дж. Рэлеем, У. Круксом и М. У. Траверсом открыл и описал свойства благородных газов: гелия, аргона, неона, криптона и ксенона; определил их атомные массы (1894 – 1898 г.г). В течение многих лет после их открытия считали, что благородные газы неспособны образовывать химические связи с атомами других химических элементов. Химическую устойчивость инертных газов связывали с завершённой внешней электронной оболочкой из 8 электронов (из 2 в случае гелия). В 1916г немецкий физик В. Коссель и американский химик Г.Н. Льюис независимо друг от друга выдвинули теорию химической связи. Оба объясняли возникновение химической связи стремлением атомов приобрести устойчивую электронную конфигурацию, характерную для атомов благородных газов. Коссель считал, что атомы всех элементов, кроме благородных газов, имеют неполный электронный октет, поэтому с целью завершения своего внешнего энергетического уровня, одни атомы стремятся отдать свои валентные электроны (металлы), а другие их принимают (неметаллы), вследствие чего образуются противоположно заряженные ионы, электростатическое притяжение которых приводит к образованию ионной химической связи. Льюис считал, что завершение внешнего электронного слоя атомы осуществляют путём обобществления электронных пар. Рассмотрим важнейшие характеристики химической связи. 1.1. Энергия химической связи Мерой прочности химической связи является энергия связи. Её величина равна энергии, необходимой для распада молекулы на отдельные атомы, или энергии образования молекулы вещества из отдельных атомов. Например, энергия связи в молекуле водорода (Н-Н) равна 435 кДж/моль. То есть при образовании 1 моль водорода из отдельных атомов выделяется 435 кДж Н + Н H2 + 435 кДж/моль И наоборот: Н2 Н + Н – 435 кДж/моль. При образовании многоатомных молекул, содержащих одинаковые связи (молекулы аммиака NH3 или воды Н2О), усреднённая энергия связи в пересчёте на 1 моль вещества определяется делением энергии образования этого вещества из отдельных атомов на число связей. Например 2Н + О Н2О + 924 кДж/моль следовательно средняя энергия связи О – Н равна 924 : 2 = 462 кДж/моль. Чтобы определить энергию единичной связи нужно среднее значение энергии разделить на число Авогадро, так как все связи в молекуле воды равноценны. 924 кДж / моль : 6,02 . 1023 моль-1 = 1,535 . 10-21 кДж 1.2. Длина химической связи Под длиной связи понимают расстояние между ядрами атомов в молекуле (кристалле), когда силы притяжения уравновешены силами отталкивания и энергия частицы (молекулы, кристалла и т. п.) минимальна. Длина связи зависит от эффективных размеров входящих в состав молекулы атомов, точнее от пространственных характеристик взаимодействующих валентных орбиталей. При образовании молекулы атомы сближаются друг с другом так, что их валентные орбитали взаимно проникают друг в друга – перекрываются (см. рис. 1). Чем сильнее перекрываются орбитали, тем прочнее химическая связь и выше энергия связи.   A . ____B. R Рисунок 1. Перекрывание электронных орбиталей Виды перекрывания электронных орбиталей будут рассмотрены ниже. Однако при образовании молекулы атомы сближаются друг с другом на столь малые расстояния, что при определении длины связи ими пренебрегают. Поэтому длина связи близка к сумме условных радиусов взаимодействующих валентных орбиталей. Длина связи зависит также от её кратности (одинарные, двойные, тройные связи). При увеличении кратности связи её энергия, а следовательно и прочность так же увеличиваются. Длина связи при этом уменьшается. Таким образом, изменение энергии связи указывает на изменение длины и кратности связи (см. таблицу 1). Таблица 1. Изменение энергии связи в зависимости от кратности и длины
1.3. Дипольный момент связи и направленность связи Связь между двумя разными атомами (гетероатомная связь) характеризуется неравномерностью распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами. Мерой неравномерности распределения электронной плотности в молекуле является, веденная в 1932 г. Л. К. Полингом величина, названная электроотрицательностью (ЭО). Электроотрицательность – это способность атома данного элемента оттягивать общие электронные пары от атомов других химических элементов. По причине разности ЭО атомов, образующих гетероатомную молекулу, происходит смещение электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома и смещение «центров тяжести» положительного и отрицательного зарядов. Образуется полярная молекула, представляющая собой диполь – систему из двух равных и противоположных по знаку зарядов (δ+ и δ-), находящихся на определённом расстоянии l (длина диполя) друг от друга (длина диполя не равна длине связи). Мерой полярности молекулы является дипольный момент μ, который рассчитывается как произведение заряда (δ) на длину диполя (l): μ = lδ Дипольный момент является векторной величиной. Направление дипольного момента условно принимают от отрицательного к положительному полюсу диполя. То, что гетероатомная молекула обладает дипольным моментом, можно доказать экспериментально, поместив такую молекулу в электрическое поле между положительным и отрицательным электродами (анодом и катодом). В данных условиях молекула будет стремиться занять такое положение, чтобы её положительный полюс был обращён к катоду, а отрицательный – к аноду, но, будучи электронейтральной гетероатомная молекула не движется ни к одному из электродов. Способность молекул ориентироваться таким образом в электрическом поле может быть измерена и служит характеристикой дипольного момента. Если молекула многоатомная, то различают понятия дипольный момент отдельной связи и дипольный момент целой молекулы. Если в молекуле несколько связей, то их дипольные моменты складываются по правилу параллелограмма. Дипольный момент молекулы зависит и от формы молекулы. Если молекула имеет линейное симметричное строение, то её дипольный момент равен нулю (μ = 0), несмотря на то, что каждая отдельная связь может быть полярной и характеризоваться определённым значением дипольного момента. Объяснить это можно тем, что равные дипольные моменты, направлены в противоположные стороны и при сложении дают ноль, то есть компенсируют друг друга. Примером может служить линейная молекула СО2. Оδ- == С2δ+ == Оδ- μ1 + μ2 = 0 μ1→ ← μ2 Нулевым дипольным моментом обладают и симметричные молекулы плоскостного и пространственного строения – плоская треугольная молекула BF3 и пространственная октаэдрическая молекула SF6 (см. рис. 2) BF3 δ- SF6 δ-                 δ- δ-3δ+ δ- δ- δ- δ- δ- Рисунок 2. Дипольные моменты симметричных молекул Несимметричные молекулы имеют дипольные моменты отличные от нуля, так как дипольные моменты отдельных связей не компенсируют друг друга. К таким молекулам относятся уголковые молекулы (H2O, H2S и т.д.) Таким образом, дипольный момент молекулы и его величина определяется пространственной направленностью химической связи. δ-        μ1 μ2 H2O или H2S δ+ μ3 δ+ |
Похожие:
 | Химия – наука, изучающая вещества, их строение, свойства и превращения. Превращения одних веществ в другие вещества называются химическими... |  | При изучении строения вещества принята естественная последовательность: сначала изучают строение атомов, а затем строение состоящих... |
| Комитет по науке и высшей школе Санкт -петербургское государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального... | | Наличие хлорофилла и способность на свету образовывать органические вещества из неорганических –углекислого газа и воды – это признак... |
| Заявка на наркотические средства и психотропные вещества, сильнодействующие вещества списка пккн для многопрофильного стационара... | | Чисто логическим путем можно прийти к выводу, что дробление вещества не может происходить бесконечно. В конце концов должна остаться... |
| Ремонт помещений цеха №38 (строение №1 в осях а-в,1-8; строение №2 в осях а -д, 1-4) | | Этапы развития представлений о строении молекулы метана отражены на рис. Современным данным отвечает структура г: молекула имеет... |
| При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения... | | Ей рассматриваются базисные знания в системе подготовки провизора высшей школы. Знания клеточной биологии востребованы на таких дисциплинах,... |