Е.Н.ФРЕНКЕЛ

Урок по химия

Ръководство за тези, които не знаят, но искат да научат и разберат химията

Част I. Елементи обща химия
(първо ниво на трудност)

Продължение. Вижте в бр. 13, 18, 23/2007 г.;
6/2008

Глава 4 химическа връзка

В предишните глави на това ръководство имаше дискусии относно факта, че материята е изградена от молекули, а молекулите са изградени от атоми. Чудили ли сте се някога защо атомите, които изграждат една молекула, не се разлитат в различни посоки? Какво държи атомите заедно в една молекула?

Държи ги химическа връзка .

За да разберем природата на химическата връзка, достатъчно е да си припомним един прост физически експеримент. Две топки, висящи една до друга на конци, не „реагират“ една на друга по никакъв начин. Но ако придадете на едната топка положителен заряд, а на другата отрицателен заряд, те ще се привличат една към друга. Не е ли това силата, която привлича атомите един към друг? Наистина проучванията показват, че химическата връзка е електрическа по природа.

Откъде идват зарядите в неутралните атоми?

Статията е публикувана с подкрепата на онлайн курса за подготовка за USE "Examer". На сайта ще намерите всички необходими материали за самоподготовка за изпита - съставяне на уникален план за обучение за всеки потребител, проследяване на напредъка по всяка тема от предмета, теория и задачи. Всички задачи отговарят на последните промени и допълнения. Възможно е и изпращане на задачи от писмената част на Единния държавен изпит за проверка от експерти с цел получаване на точки и анализ на работата по критериите за оценка. Задачи под формата на куестове с натрупване на опит, завършване на нива, получаване на бонуси и награди, състезания с приятели в Единната държавна изпитна арена. За да започнете подготовката, следвайте връзката: https://examer.ru.

При описването на структурата на атомите беше показано, че всички атоми, с изключение на атомите на благородния газ, са склонни да получават или отдават електрони. Причината е образуването на стабилно осемелектронно външно ниво (както при благородните газове). Когато се получават или даряват електрони, електрически зарядии, като следствие, електростатичното взаимодействие на частиците. Ето как йонна връзка , т.е. връзка между йони.

Йоните са стабилни заредени частици, които се образуват в резултат на приемане или отдаване на електрони.

Например, атом на активен метал и активен неметал участват в реакцията:

В този процес метален атом (натрий) отдава електрони:

а) Стабилна ли е такава частица?

б) Колко електрона остават в натриевия атом?

в) Тази частица ще има ли заряд?

Така при този процес се образува стабилна частица (8 електрона на външно ниво), която има заряд, т.к. ядрото на натриевия атом все още има заряд от +11, а останалите електрони имат нетен заряд от -10. Следователно зарядът на натриевия йон е +1. Резюме на този процес изглежда така:

Какво се случва със серния атом? Този атом приема електрони, докато не бъде завършено външното ниво:

Едно просто изчисление показва, че тази частица има заряд:

Противоположно заредените йони се привличат, което води до йонна връзка и „йонна молекула“:

Има и други начини за образуване на йони, които ще бъдат обсъдени в глава 6.

Формално този молекулен състав се приписва на натриев сулфид, въпреки че вещество, състоящо се от йони, има приблизително следната структура (фиг. 1):

По този начин, веществата, състоящи се от йони, не съдържат отделни молекули!В този случай можем да говорим само за условна "йонна молекула".

Задача 4.1.Покажете как се извършва преходът на електрони, когато между атомите възниква йонна връзка:

а) калций и хлор;

б) алуминий и кислород.

Помня! Метален атом дарява външни електрони; атомът на неметала приема липсващите електрони.

Заключение.Йонна връзка, съгласно описания по-горе механизъм, се образува между атомите на активните метали и активните неметали.

Проучванията обаче показват, че пълният преход на електрони от един атом към друг не винаги се случва. Много често химическата връзка се образува не чрез отдаване и приемане на електрони, а в резултат на образуването на общи електронни двойки*. Такава връзка се нарича ковалентен .

Ковалентната връзка възниква поради образуването на общи електронни двойки. Този тип връзка се образува например между атоми на неметали. И така, известно е, че молекулата на азота се състои от два атома - N 2. Как ковалентна връзкамежду тези атоми? За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се разгледа структурата на азотния атом:

Въпрос. Колко електрона липсват преди завършването на външното ниво?

Отговор: Липсват три електрона. Следователно, обозначавайки всеки електрон на външното ниво с точка, получаваме:

Въпрос. Защо три електрона са обозначени с единични точки?

Отговор: Въпросът е, че искаме да покажем образуването на общи двойки електрони. Една двойка е два електрона. Такава двойка възниква, по-специално, ако всеки атом допринася с един електрон за образуване на двойка. На азотния атом му липсват три електрона, за да завърши външното си ниво. Това означава, че той трябва да „подготви“ три единични електрона за образуването на бъдещи двойки (фиг. 2).

получено електронна формула на молекулатаазот, което показва, че всеки азотен атом сега има осем електрона (шест от тях са оградени в овал плюс 2 от техните електрони); между атомите се появиха три общи двойки електрони (пресечната точка на кръговете).

Всяка двойка електрони съответства на една ковалентна връзка.Колко ковалентни връзки има? Три. Всяка връзка (всяка обща двойка електрони) ще бъде показана с тире (низ):

Всички тези формули обаче не дават отговор на въпроса: какво свързва атомите по време на образуването на ковалентна връзка? Електронната формула показва, че обща двойка електрони е разположена между атомите. В тази област на пространството възниква излишен отрицателен заряд. А ядрата на атомите, както знаете, имат положителен заряд. По този начин ядрата на двата атома са привлечени от общ отрицателен заряд, възникнал поради общи електронни двойки (по-точно пресичането на електронни облаци) (фиг. 3).

Може ли да има такава връзка между различни атоми? Може би. Нека азотният атом взаимодейства с водородните атоми:

Структурата на водородния атом показва, че атомът има един електрон. Колко такива атома трябва да се вземат, за да може азотният атом да "получи това, което иска" - три електрона? Очевидно три водородни атома
(фиг. 4):

Кръст на фиг. 4 означава електроните на водородния атом. Електронната формула на молекулата на амоняка показва, че азотният атом има осем електрона, а всеки водороден атом има два електрона (и не може да има повече на първо енергийно ниво).

Графичната формула показва, че азотният атом има валентност три (три тирета или три валентни черти), а всеки водороден атом има валентност единица (по едно тире).

Въпреки че и двете молекули N 2 и NH 3 съдържат един и същ азотен атом, химичните връзки между атомите се различават една от друга. В молекулата на азота се образуват химически връзки N 2 идентични атоми, така че общите двойки електрони са по средата между атомите. Атомите остават неутрални. Тази химична връзка се нарича неполярни .

В молекулата на амоняка NH 3 се образува химична връзка различни атоми. Следователно един от атомите (в този случай азотният атом) привлича по-силно обща двойка електрони. Общите двойки електрони се изместват към азотния атом и върху него възниква малък отрицателен заряд, а върху водородния атом възниква положителен заряд, възникват електрически стълбове - връзка полярен (фиг. 5).

Повечето вещества, изградени с помощта на ковалентна връзка, се състоят от отделни молекули (фиг. 6).

От фиг. 6 се вижда, че има химични връзки между атомите, но между молекулите те липсват или са незначителни.

Видът на химичната връзка влияе върху свойствата на веществото, поведението му в разтвори. И така, колкото повече, колкото по-значително е привличането между частиците, толкова по-трудно е да се разкъсат и толкова по-трудно е да се превърне твърдото вещество в газообразно или течно състояние. Опитайте се да определите в схемата по-долу между кои частици силата на взаимодействие е по-голяма и каква химична връзка се образува в този случай (фиг. 7).

Ако прочетете внимателно главата, отговорът ви ще бъде следният: максималното взаимодействие между частиците възниква в случай I (йонна връзка). Следователно всички такива вещества са твърди. Най-малкото взаимодействие между незаредени частици (случай III - неполярна ковалентна връзка). Тези вещества обикновено са газове.

Задача 4.2.Определете каква химична връзка се осъществява между атомите във веществата: NaCl, Hcl, Cl 2, AlCl 3, H 2 O. Дайте обяснение.

Задача 4.3.Композирайте електронни и графични формулиза онези вещества от задача 4.2, в които сте установили наличието на ковалентна връзка. За йонна връзка съставете схеми за преход на електрони.

Глава 5

Няма човек на Земята, който да не вижда решения. И какво е?

Разтворът е хомогенна смес от два или повече компонента ( съставни частиили вещества).

Какво е хомогенна смес? Хомогенността на сместа предполага тази между съставните й вещества няма интерфейс. В този случай е невъзможно, поне визуално, да се определи колко вещества са образували дадена смес. Например, гледайки чешмяна вода в чаша, е трудно да се предположи, че в допълнение към водните молекули, тя съдържа още дузина йони и молекули (O 2, CO 2, Ca 2+ и др.). И никакъв микроскоп няма да помогне да се видят тези частици.

Но липсата на интерфейс не е единственият признак за хомогенност. в хомогенна смес съставът на сместа във всяка точка е еднакъв. Следователно, за да се получи разтвор, е необходимо да се смесят добре компонентите (веществата), които го образуват.

Разтворите могат да имат различно състояние на агрегиране:

Газообразни разтвори (например въздух - смес от газове O 2, N 2, CO 2, Ar);

Течни разтвори (напр. одеколон, сироп, саламура);

Твърди разтвори (например сплави).

Едно от веществата, които образуват разтвор, се нарича разтворител. Разтворителят има същото агрегатно състояние като разтвора. И така, за течните разтвори това е течност: вода, масло, бензин и др. Най-често в практиката се използват водни разтвори. Те ще бъдат обсъдени допълнително (освен ако не бъде направена подходяща резервация).

Какво се случва, когато различни вещества се разтварят във вода? Защо някои вещества се разтварят добре във вода, а други не? Какво определя разтворимостта - способността на дадено вещество да се разтваря във вода?

Представете си, че парче захар се поставя в чаша топла вода. Той легна, намали размерите си и ... изчезна. Където? Наистина ли е нарушен законът за запазване на материята (нейната маса, енергия)? Не. Отпийте от получения разтвор и ще видите, че водата е сладка, захарта не е изчезнала. Но защо не се вижда?

Факт е, че в процеса на разтваряне се получава раздробяване (смилане) на веществото. В този случай кубчето захар се разпадна на молекули, но не можем да ги видим. Да, но защо захарта, която лежи на масата, не се разпада на молекули? Защо парче маргарин, потопено във вода, също изчезва? Но тъй като раздробяването на разтвореното вещество става под действието на разтворител, като вода. Но разтворителят ще може да "издърпа" кристала, твърдото вещество в молекули, ако може да се "прилепи" към тези частици. С други думи, когато дадено вещество е разтворено, трябва да има взаимодействие между вещество и разтворител.

Кога е възможно подобно взаимодействие? Само в случай, че структурата на веществата (както разтворими, така и разтворители) е подобна, подобна. Правилото на алхимиците отдавна е известно: „подобното се разтваря в подобно“. В нашите примери захарните молекули са полярни и съществуват определени сили на взаимодействие между тях и полярните водни молекули. Такива сили липсват между неполярните мастни молекули и полярните водни молекули. Следователно мазнините не се разтварят във вода. По този начин, разтворимостта зависи от природата на разтвореното вещество и разтворителя.

В резултат на взаимодействието между разтвореното вещество и водата се образуват съединения - хидратира. Това могат да бъдат много силни връзки:

Такива съединения съществуват като отделни вещества: основи, кислородсъдържащи киселини. Естествено, по време на образуването на тези съединения възникват силни химични връзки и се отделя топлина. Така че, когато CaO (негасена вар) се разтвори във вода, се отделя толкова много топлина, че сместа кипи.

Но защо полученият разтвор не се нагрява, когато захарта или солта се разтварят във вода? Първо, не всички хидрати са толкова силни, колкото сярната киселина или калциевия хидроксид. Има солни хидрати (кристални хидрати), които лесно се разлагат при нагряване:

Второ, по време на разтварянето, както вече беше споменато, протича процесът на раздробяване. И за това се изразходва енергия, топлината се абсорбира.

Тъй като и двата процеса протичат едновременно, разтворът може или да се нагрее, или да се охлади, в зависимост от това кой процес е доминиращ.

Задача 5.1.Определете кой процес - раздробяване или хидратация - преобладава във всеки случай:

а) при разтваряне на сярна киселина във вода, ако разтворът се нагрява;

б) при разтваряне на амониев нитрат във вода, ако разтворът е охладен;

в) когато натриевият хлорид се разтваря във вода, ако температурата на разтвора практически не се е променила.

Тъй като температурата на разтвора се променя по време на разтварянето, естествено е да се приеме, че разтворимостта зависи от температурата. Наистина, разтворимостта на повечето твърди вещества се увеличава с нагряване. Разтворимостта на газовете намалява при нагряване. Следователно твърдите вещества обикновено се разтварят в топло или топла вода, а газираните напитки се съхраняват на хладно.

Разтворимост(способност за разтваряне) вещества не зависи от смилането на веществото или интензивността на смесване. Но чрез повишаване на температурата, смилане на веществото, разбъркване на готовия разтвор, можете да ускорите процеса на разтваряне. Чрез промяна на условията за получаване на разтвор е възможно да се получат разтвори с различен състав. Естествено, има граница, достигайки която, лесно се установява, че веществото вече не е разтворимо във вода. Такова решение се нарича богат. За силно разтворими вещества, наситеният разтвор ще съдържа много разтворено вещество. И така, наситен разтвор на KNO 3 при 100 ° C съдържа 245 g сол на 100 g вода (в 345 g разтвор), това концентриранрешение. Наситените разтвори на слабо разтворими вещества съдържат незначителни маси от разтворени съединения. И така, наситен разтвор на сребърен хлорид съдържа 0,15 mg AgCl в 100 g вода. Това е много разреденрешение.

По този начин, ако разтворът съдържа много разтворено вещество по отношение на разтворителя, той се нарича концентриран, ако има малко вещество - разреден. Много често неговите свойства зависят от състава на разтвора, а оттам и от приложението.

По този начин разреден разтвор на оцетна киселина (трапезен оцет) се използва като ароматизираща подправка, а концентриран разтвор на тази киселина (оцетна есенция, когато се приема перорално) може да причини фатално изгаряне.

За да отразите количествения състав на разтворите, използвайте стойност, наречена масова част на разтвореното вещество :

където м(v-va) - масата на разтвореното вещество в разтвора; м(p-ra) - общата маса на разтвора, съдържащ разтвореното вещество и разтворителя.

Така че, ако 100 g оцет съдържа 6 g оцетна киселина, тогава говорим за 6% разтвор на оцетна киселина (това е трапезен оцет). Начините за решаване на проблеми с помощта на концепцията за масовата част на разтвореното вещество ще бъдат обсъдени в глава 8.

Изводи по 5 глава.Разтворите са хомогенни смеси, състоящи се от поне две вещества, едното от които се нарича разтворител, а другото е разтворено вещество. Когато се разтвори, това вещество взаимодейства с разтворителя, поради което разтвореното вещество се раздробява. Съставът на разтвора се изразява с помощта на масовата част на разтвореното вещество в разтвора.

* Тези електронни двойки се появяват в пресечната точка на електронни облаци.

Следва продължение

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Амоняк- водороден нитрид.

Формула - NH 3. Моларна маса– 17 g/mol.

Физични свойства на амоняка

Амонякът (NH3) е безцветен газ с остра миризма (миризмата на "амоняк"), по-лек от въздуха, силно разтворим във вода (един обем вода ще разтвори до 700 обема амоняк). Концентрираният амонячен разтвор съдържа 25% (маса) амоняк и има плътност 0,91 g/cm 3 .

Връзките между атомите в молекулата на амоняка са ковалентни. Обща форма AB 3 молекули. Всички валентни орбитали на азотния атом влизат в хибридизация, следователно типът на хибридизация на молекулата на амоняка е sp 3. Амонякът има геометрична структура от типа АВ 3 Е - триъгълна пирамида (фиг. 1).

Ориз. 1. Структурата на молекулата на амоняка.

Химични свойства на амоняка

Химически амонякът е доста активен: той реагира с много вещества. Степента на окисление на азота в амоняка "-3" е минимална, така че амонякът проявява само редуциращи свойства.

Когато амонякът се нагрява с халогени, оксиди на тежки метали и кислород, се образува азот:

2NH3 + 3Br2 = N2 + 6HBr

2NH 3 + 3CuO \u003d 3Cu + N 2 + 3H 2 O

4NH 3 + 3O 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O

В присъствието на катализатор амонякът може да се окисли до азотен оксид (II):

4NH 3 + 5O 2 \u003d 4NO + 6H 2 O (катализатор - платина)

За разлика от водородни съединениянеметали от групи VI и VII, амонякът не показва киселинни свойства. Въпреки това, водородните атоми в неговата молекула все още могат да бъдат заменени от метални атоми. При пълното заместване на водорода с метал се образуват съединения, наречени нитриди, които също могат да бъдат получени чрез директно взаимодействие на азот с метал при висока температура.

Основните свойства на амоняка се дължат на наличието на несподелена електронна двойка при азотния атом. Разтворът на амоняк във вода е алкален:

NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 OH ↔ NH 4 + + OH -

Когато амонякът реагира с киселини, се образуват амониеви соли, които се разлагат при нагряване:

NH3 + HCl = NH4Cl

NH 4 Cl \u003d NH 3 + HCl (при нагряване)

Получаване на амоняк

Разпределете промишлени и лабораторни методи за производство на амоняк. В лабораторията амонякът се получава чрез действието на алкали върху разтвори на амониеви соли при нагряване:

NH 4 Cl + KOH \u003d NH 3 + KCl + H 2 O

NH 4 + + OH - = NH 3 + H 2 O

Тази реакция е качествена за амониеви йони.

Приложение на амоняк

Производството на амоняк е един от най-важните технологични процеси в света. Годишно в света се произвеждат около 100 милиона тона амоняк. Освобождаването на амоняк се извършва в течна форма или под формата на 25% воден разтвор - амонячна вода. Основните области на използване на амоняка са производството на азотна киселина (по-късно производство на азотсъдържащи минерални торове), амониеви соли, урея, уротропин, синтетични влакна (найлон и капрон). Амонякът се използва като хладилен агент в индустриалното охлаждане, като белина при почистване и боядисване на памук, вълна и коприна.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение	Каква е масата и обемът на амоняка, необходими за производството на 5 тона амониев нитрат?
Решение	Нека напишем уравнението на реакцията за получаване на амониев нитрат от амоняк и азотна киселина: NH 3 + HNO 3 \u003d NH 4 NO 3 Съгласно уравнението на реакцията, количеството вещество на амониев нитрат е 1 mol - v (NH 4 NO 3) \u003d 1 mol. След това масата на амониевия нитрат, изчислена съгласно уравнението на реакцията: m(NH4NO3) = v(NH4NO3)×M(NH4NO3); m(NH 4 NO 3) \u003d 1 × 80 \u003d 80 t Според уравнението на реакцията количеството амонячно вещество също е 1 mol - v (NH 3) \u003d 1 mol. След това масата на амоняка, изчислена по уравнението: m (NH 3) \u003d v (NH 3) × M (NH 3); m (NH 3) \u003d 1 × 17 \u003d 17 t Нека направим пропорция и намерим масата на амоняка (практично): x g NH3 - 5 t NH4NO3 17 t NH 3 – 80 t NH 4 NO 3 x \u003d 17 × 5 / 80 \u003d 1,06 m (NH 3) \u003d 1,06 t Ще съставим подобна пропорция, за да намерим обема на амоняка: 1,06 g NH3 - xl NH3 17 t NH 3 - 22,4 × 10 3 m 3 NH 3 x \u003d 22,4 × 10 3 × 1,06 / 17 = 1,4 × 10 3 V (NH 3) \u003d 1,4 × 10 3 m 3
Отговор	Маса на амоняк - 1,06 тона, обем на амоняк - 1,4 × 10 m

3.3.1 Ковалентна връзка - Това е двуцентрова двуелектронна връзка, образувана поради припокриването на електронни облаци, носещи несдвоени електрони с антипаралелни спинове. По правило се образува между атоми на един химичен елемент.

Количествено се характеризира с валентност. Валентност на елемента - това е способността му да образува определен брой химични връзки поради свободни електрони, разположени в зоната на атомната валентност.

Ковалентната връзка се образува само от двойка електрони, разположени между атомите. Нарича се разделена двойка. Останалите двойки електрони се наричат ​​несподелени двойки. Те запълват черупките и не участват в свързването.Комуникацията между атомите може да се осъществява не само от една, но и от две или дори три споделени двойки. Такива връзки се наричат двойно и t swarm - множество връзки.

3.3.1.1 Ковалентна неполярна връзка. Нарича се връзка, осъществявана чрез образуването на електронни двойки, принадлежащи еднакво на двата атома ковалентен неполярен. Възниква между атоми с практически еднаква електроотрицателност (0,4 > ΔEO > 0) и, следователно, равномерно разпределение на електронната плътност между ядрата на атомите в хомонуклеарните молекули. Например H 2 , O 2 , N 2 , Cl 2 и др. Диполният момент на такива връзки е нула. CH връзката в наситени въглеводороди (например в CH 4) се счита за практически неполярна, т.к. ΔEO = 2,5 (С) - 2,1 (Н) = 0,4.

3.3.1.2 Ковалентна полярна връзка.Ако една молекула е образувана от два различни атома, тогава зоната на припокриване на електронни облаци (орбитали) се измества към един от атомите и такава връзка се нарича полярен . При такава връзка вероятността за намиране на електрони близо до ядрото на един от атомите е по-висока. Например HCl, H 2 S, PH 3.

Полярна (асиметрична) ковалентна връзка - връзка между атоми с различна електроотрицателност (2 > ΔEO > 0,4) и асиметрично разпределение на обща електронна двойка. По правило се образува между два неметала.

Електронната плътност на такава връзка се измества към по-електроотрицателен атом, което води до появата на него на частичен отрицателен заряд  (делта минус), а на по-малко електроотрицателен атом - частичен положителен заряд  ( делта плюс)

C  - Cl

Посоката на изместване на електрона също е обозначена със стрелка:

CCl, CO, CN, OH, CMg.

Колкото по-голяма е разликата в електроотрицателността на свързаните атоми, толкова по-висока е полярността на връзката и толкова по-голям е нейният диполен момент. Между частични заряди с противоположен знак действат допълнителни сили на привличане. Следователно, колкото по-полярна е връзката, толкова по-силна е тя.

С изключение поляризуемост ковалентна връзка притежава имота ситост - способността на атома да образува толкова ковалентни връзки, колкото има енергийно достъпни атомни орбитали. Третото свойство на ковалентната връзка е нейното ориентация.

3.3.2 Йонна връзка. Движещата сила зад неговото формиране е същият стремеж на атомите към октетната обвивка. Но в редица случаи такава "октетна" обвивка може да възникне само когато електроните се прехвърлят от един атом към друг. Следователно, като правило, между метал и неметал се образува йонна връзка.

Да разгледаме като пример реакцията между натриеви (3s 1) и флуорни (2s 2 3s 5) атоми. Разлика в електроотрицателността на NaF съединение

EO = 4,0 - 0,93 = 3,07

Натрият, дари своя 3s 1 електрон на флуора, става Na + йон и остава със запълнена 2s 2 2p 6 обвивка, която съответства на електронната конфигурация на неоновия атом. Абсолютно същата електронна конфигурация придобива флуорът, като е приел един електрон, дарен от натрия. В резултат на това между противоположно заредените йони възникват електростатични сили на привличане.

Йонна връзка - краен случай на полярна ковалентна връзка, основана на електростатичното привличане на йони. Такава връзка възниква, когато има голяма разлика в електроотрицателността на свързаните атоми (EO > 2), когато по-малко електроотрицателен атом почти напълно отдава валентните си електрони и се превръща в катион, а друг, по-електроотрицателен атом, се присъединява тези електрони и се превръща в анион. Взаимодействието на йони с противоположен знак не зависи от посоката, а силите на Кулон нямат свойството на насищане. Заради това йонна връзка няма място фокус и ситост , тъй като всеки йон е свързан с определен брой противойони (координационно число на йона). Следователно йонно свързаните съединения нямат молекулярна структура и са твърди вещества, които образуват йонни кристални решетки, с високи точки на топене и кипене, те са силно полярни, често подобни на соли и електропроводими във водни разтвори. Например MgS, NaCl, A 2 O 3. Съединения с чисто йонни връзки практически не съществуват, тъй като винаги има известно количество ковалентност поради факта, че не се наблюдава пълен преход на един електрон към друг атом; в най-"йонните" вещества делът на йонността на връзката не надвишава 90%. Например в NaF поляризацията на връзката е около 80%.

В органичните съединения йонните връзки са доста редки, т.к. въглеродният атом няма тенденция нито да губи, нито да получава електрони, за да образува йони.

Валентност елементи в съединения с йонни връзки много често характеризират степен на окисление , което от своя страна съответства на заряда на йона на елемента в даденото съединение.

Степен на окисление е условният заряд, който атомът придобива в резултат на преразпределението на електронната плътност. Количествено се характеризира с броя на електроните, изместени от по-малко електроотрицателен елемент към по-електроотрицателен. Положително зареден йон се образува от елемента, който е отказал своите електрони, а отрицателен йон се образува от елемента, който е получил тези електрони.

Елементът в най-висока степен на окисление (максимално положителен), вече е отдал всичките си валентни електрони в ABD. И тъй като техният брой се определя от номера на групата, в която се намира елементът, тогава най-висока степен на окисление за повечето елементи и ще бъде равно на номер на групата . Относно най-ниска степен на окисление (максимално отрицателен), тогава се появява по време на образуването на осемелектронна обвивка, т.е. в случай, че AVZ е напълно запълнен. За неметали изчислява се по формулата номер на групата - 8 . За метали е равно на нула защото не могат да приемат електрони.

Например, AVZ на сярата има формата: 3s 2 3p 4 . Ако един атом отдаде всички електрони (шест), тогава той ще спечели най-високата степенокисляване +6 равен на номера на групата VI , ако са необходими двете, необходими за завършване на стабилната обвивка, тя ще придобие най-ниското състояние на окисление –2 равна на Номер на групата - 8 \u003d 6 - 8 \u003d -2.

3.3.3 Метална връзка.Повечето метали имат редица свойства, които имат общ характери различни от свойствата на други вещества. Такива свойства са относително високи точки на топене, способност за отразяване на светлината, висока топлинна и електрическа проводимост. Тези особености се обясняват с наличието в металите на специален тип взаимодействие – метална връзка.

В съответствие с позицията си в периодичната система металните атоми имат малък брой валентни електрони, които са доста слабо свързани с техните ядра и лесно могат да бъдат отделени от тях. В резултат на това в кристалната решетка на метала се появяват положително заредени йони, локализирани в определени позиции на кристалната решетка, и голям брой делокализирани (свободни) електрони, които се движат относително свободно в полето на положителните центрове и осъществяват връзката между всички метални атоми поради електростатично привличане.

Това е важна разлика между металните връзки и ковалентните връзки, които имат строга ориентация в пространството. Силите на свързване в металите не са локализирани и не са насочени, а свободните електрони, които образуват "електронния газ", причиняват висока топлинна и електрическа проводимост. Следователно в този случай е невъзможно да се говори за посоката на връзките, тъй като валентните електрони са разпределени почти равномерно върху кристала. Именно това обяснява, например, пластичността на металите, т.е. възможността за изместване на йони и атоми във всяка посока

3.3.4 Донорно-акцепторна връзка. В допълнение към механизма за образуване на ковалентна връзка, според който обща електронна двойка възниква от взаимодействието на два електрона, има и специален донорно-акцепторен механизъм . Състои се във факта, че ковалентна връзка се образува в резултат на прехода на вече съществуваща (самотна) електронна двойка донор (доставчик на електрони) за обща употреба на донора и акцептор (доставчик на свободна атомна орбитала).

След образуването не се различава от ковалентния. Донорно-акцепторният механизъм е добре илюстриран от схемата за образуване на амониев йон (Фигура 9) (звездичките показват електроните на външното ниво на азотния атом):

Фигура 9 - Схема на образуване на амониевия йон

Електронната формула на AVZ на азотния атом е 2s 2 2p 3, т.е. има три несдвоени електрона, които влизат в ковалентна връзка с три водородни атома (1s 1), всеки от които има един валентен електрон. В този случай се образува амонячна молекула NH3, в която се запазва неподелената електронна двойка азот. Ако водороден протон (1s 0), който няма електрони, се приближи до тази молекула, тогава азотът ще прехвърли своята двойка електрони (донор) към тази водородна атомна орбитала (акцептор), което води до образуването на амониев йон. При него всеки водороден атом е свързан с азотния атом чрез обща електронна двойка, едната от които се реализира по донорно-акцепторния механизъм. Важно е да се отбележи, че H-N връзки, образувани по различни механизми, нямат различия в свойствата. Това явление се дължи на факта, че в момента на образуване на връзка орбиталите на 2s– и 2p– електроните на азотния атом променят формата си. В резултат на това възникват четири напълно идентични орбитали.

Донорите обикновено са атоми с голям брой електрони, но с малък брой несдвоени електрони. За елементи от период II, освен азотния атом, такава възможност имат кислородът (две несподелени двойки) и флуорът (три несподелени двойки). Например, водородният йон H + във водни разтвори никога не е в свободно състояние, тъй като хидрониевият йон H 3 O + винаги се образува от водни молекули H 2 O и йонът H +, Хидрониевият йон присъства във всички водни разтвори , въпреки че за простота правописът е запазен символ H + .

3.3.5 Водородна връзка. Водороден атом, свързан със силно електроотрицателен елемент (азот, кислород, флуор и др.), Който „дърпа“ обща електронна двойка върху себе си, изпитва недостиг на електрони и придобива ефективен положителен заряд. Следователно той може да взаимодейства с несподелена електронна двойка на друг електроотрицателен атом (който придобива ефективен отрицателен заряд) на същата (вътремолекулна връзка) или друга молекула (междумолекулна връзка). В резултат на това има водородна връзка , което е обозначено графично с точки:

Тази връзка е много по-слаба от другите химични връзки (енергията на нейното образуване е 10 – 40 kJ/mol) и има главно отчасти електростатичен, отчасти донорно-акцепторен характер.

Водородната връзка играе изключително важна роля в биологичните макромолекули, като неорганични съединения като H 2 O, H 2 F 2, NH 3. Например O-H връзките в H 2 O имат забележим полярен характер с излишък на отрицателен заряд – на кислородния атом. Водородният атом, напротив, придобива малък положителен заряд  + и може да взаимодейства с несподелени двойки електрони на кислородния атом на съседната водна молекула.

Взаимодействието между водните молекули се оказва доста силно, така че дори във водната пара има димери и тримери от състава (H 2 O) 2, (H 2 O) 3 и т.н. В разтворите дълги вериги от асоциирани на този тип може да възникне:

защото кислородният атом има две несподелени двойки електрони.

Наличието на водородни връзки обяснява високите точки на кипене на водата, алкохолите, карбоксилните киселини. Благодарение на водородните връзки водата се характеризира с толкова високи точки на топене и кипене в сравнение с H 2 E (E = S, Se, Te). Ако нямаше водородни връзки, тогава водата щеше да се топи при –100°C и да кипи при –80°C. Типични случаи на асоцииране се наблюдават за алкохоли и органични киселини.

Водородните връзки могат да възникнат както между различни молекули, така и в рамките на една молекула, ако тази молекула съдържа групи с донорни и акцепторни способности. Например, вътремолекулните водородни връзки играят основна роля в образуването на пептидни вериги, които определят структурата на протеините. Н-връзките влияят на физическите и Химични свойствавещества.

Водородните връзки не образуват атоми на други елементи , тъй като силите на електростатично привличане на противоположните краища на диполите на полярните връзки (О-Н, N-H и др.) са доста слаби и действат само на къси разстояния. Водородът, който има най-малкия атомен радиус, позволява на такива диполи да се приближават толкова много, че силите на привличане стават забележими. Никой друг елемент с голям атомен радиус не е способен да образува такива връзки.

3.3.6 Сили на междумолекулно взаимодействие (сили на Ван дер Ваалс). През 1873 г. холандският учен И. ван дер Ваалс предполага, че съществуват сили, които предизвикват привличане между молекулите. Тези сили по-късно бяха наречени сили на Ван дер Ваалс. – най-универсалната форма на междумолекулно свързване. Енергията на ван дер Ваалсовата връзка е по-малка от тази на водородната връзка и е 2–20 kJ/∙mol.

В зависимост от начина на генериране на силата те се разделят на:

1) ориентационни (дипол-дипол или йон-дипол) - възникват между полярни молекули или между йони и полярни молекули. Когато полярните молекули се доближават една до друга, те са ориентирани по такъв начин, че положителната страна на единия дипол е ориентирана към отрицателната страна на другия дипол (Фигура 10).

Фигура 10 - Ориентационно взаимодействие

2) индукция (дипол - индуциран дипол или йонно - индуциран дипол) - възникват между полярни молекули или йони и неполярни молекули, но способни на поляризация. Диполите могат да действат върху неполярни молекули, превръщайки ги в посочени (индуцирани) диполи. (Фигура 11).

Фигура 11 - Индуктивно взаимодействие

3) дисперсионни (индуциран дипол - индуциран дипол) - възникват между неполярни молекули, способни на поляризация. Във всяка молекула или атом на благороден газ възникват колебания на електрическата плътност, в резултат на което се появяват мигновени диполи, които от своя страна предизвикват мигновени диполи в съседни молекули. Движението на моментните диполи става координирано, тяхното появяване и разпадане се случват синхронно. В резултат на взаимодействието на мигновени диполи енергията на системата намалява (Фигура 12).

Фигура 12 - Дисперсионно взаимодействие

.

Знаете, че атомите могат да се комбинират един с друг, за да образуват както прости, така и сложни вещества. В същото време те образуват различни видовехимически връзки: йонни, ковалентни (неполярни и полярни), метални и водородни.Едно от най-съществените свойства на атомите на елементите, които определят какъв вид връзка се образува между тях - йонна или ковалентна, - е електроотрицателността, т.е. способността на атомите в едно съединение да привличат електрони към себе си.

Условна количествена оценка на електроотрицателността се дава от скалата на относителната електроотрицателност.

По периоди се наблюдава обща тенденция за нарастване на електроотрицателността на елементите, а по групи – тяхното намаляване. Елементите на електроотрицателността са подредени в редица, въз основа на което е възможно да се сравни електроотрицателността на елементите в различни периоди.

Видът на химичната връзка зависи от това колко голяма е разликата в стойностите на електроотрицателността на свързващите атоми на елементите. Колкото повече атомите на елементите, образуващи връзката, се различават по електроотрицателност, толкова по-полярна е химичната връзка. Невъзможно е да се направи рязка граница между видовете химични връзки. В повечето съединения типът на химичната връзка е междинен; например силно полярна ковалентна химична връзка е близка до йонна връзка. В зависимост от това кой от ограничаващите случаи е по-близък по природа до химическата връзка, тя се означава като йонна или ковалентна полярна връзка.

Йонна връзка.

Йонната връзка се образува от взаимодействието на атоми, които рязко се различават един от друг по електроотрицателност.Например, типични металилитий (Li), натрий (Na), калий (K), калций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) образуват йонна връзка с типични неметали, главно с халогени.

Освен халогениди алкални метали, йонна връзка се образува и в съединения като алкали и соли. Например в натриев хидроксид (NaOH) и натриев сулфат (Na 2 SO 4) йонни връзки съществуват само между натриеви и кислородни атоми (останалите връзки са ковалентни полярни).

Ковалентна неполярна връзка.

Когато атомите взаимодействат със същата електроотрицателност, се образуват молекули с ковалентна неполярна връзка.Такава връзка съществува в молекулите на следните прости вещества: H2, F2, Cl2, O2, N2. Химичните връзки в тези газове се образуват чрез общи електронни двойки, т.е. когато съответните електронни облаци се припокриват, поради електронно-ядреното взаимодействие, което възниква, когато атомите се приближават един към друг.

Композиране електронни формуливещества, трябва да се помни, че всяка обща електронна двойка е условно изображение на повишена електронна плътност в резултат на припокриването на съответните електронни облаци.

ковалентна полярна връзка.

По време на взаимодействието на атоми, стойностите на електроотрицателността на които се различават, но не рязко, има изместване на общата електронна двойка към по-електроотрицателен атом.Това е най-често срещаният тип химична връзка, открита както в неорганични, така и в органични съединения.

Ковалентните връзки напълно включват онези връзки, които се образуват от донорно-акцепторния механизъм, например в хидрониеви и амониеви йони.

Метална връзка.

Връзката, която се образува в резултат на взаимодействието на относително свободни електрони с метални йони, се нарича метална връзка.Този тип връзка е типичен за прости вещества - метали.

Същността на процеса на образуване на метална връзка е следната: металните атоми лесно се отказват от валентни електрони и се превръщат в положително заредени йони. Относително свободни електрони, отделени от атома, се движат между положителните метални йони. Между тях има метална връзка, т.е. електроните, така да се каже, циментират положителните йони на кристалната решетка на металите.

Водородна връзка.

Връзка, която се образува между водородните атоми на една молекула и атом на силно електроотрицателен елемент(О, Н, Ж) друга молекула се нарича водородна връзка.

Може да възникне въпросът: защо точно водородът образува такава специфична химична връзка?

Това се обяснява с атомен радиусмного малко водород. Освен това, когато един електрон е изместен или напълно отдаден, водородът придобива относително висок положителен заряд, поради което водородът на една молекула взаимодейства с атоми на електроотрицателни елементи, които имат частичен отрицателен заряд, който е част от други молекули (HF, H2O, NH3).

Нека да разгледаме някои примери. Обикновено изобразяваме състава на водата химична формула H 2 O. Това обаче не е съвсем точно. Би било по-правилно да се обозначи съставът на водата с формулата (H 2 O) n, където n \u003d 2.3.4 и т.н. Това се дължи на факта, че отделните водни молекули са свързани помежду си чрез водородни връзки.

Водородните връзки обикновено се означават с точки. Тя е много по-слаба от йонна или ковалентна връзка, но по-силна от обичайното междумолекулно взаимодействие.

Наличието на водородни връзки обяснява увеличаването на обема на водата с понижаване на температурата. Това се дължи на факта, че с понижаване на температурата молекулите стават по-здрави и следователно плътността на тяхната „опаковка“ намалява.

При учене органична химиявъзникна и следният въпрос: защо точките на кипене на алкохолите са много по-високи от тези на съответните въглеводороди? Това се обяснява с факта, че водородни връзки се образуват и между молекулите на алкохола.

Повишаване на точката на кипене на алкохолите също се получава поради разширяването на техните молекули.

Водородното свързване е характерно и за много други органични съединения(феноли, карбоксилни киселини и др.). От курсовете по органична химия и обща биология знаете, че наличието на водородна връзка се обяснява с вторична структурапротеини, структурата на двойната спирала на ДНК, т.е. феноменът на комплементарност.

NH3 е един от най-известните и полезни химически вещества. Намери широко приложение в селското стопанство и не само. Има уникални химични свойства, поради които се използва в различни индустрии.

Какво е NH3

NH3 е известен дори и на най-далечния човек от химията. Това е амоняк. Амонякът (NH3) иначе се нарича водороден нитрид и при нормални условия е безцветен газ с изразена миризма, характерна за това вещество. Също така си струва да се отбележи, че газът NH3 (наречен амоняк) е почти два пъти по-лек от въздуха!

В допълнение към газа, той може да бъде течност при температура около 70 ° C или да съществува като разтвор (разтвор на амоняк). Отличителна черта на течния NH3 е способността да разтваря в себе си металите от основните подгрупи на групи I и II от таблицата на елементите на Д. И. Менделеев (т.е. алкални и алкалоземни метали), както и магнезий, алуминий , европий и итербий. За разлика от водата, течният амоняк не взаимодейства с горните елементи, а действа точно като разтворител. Това свойство позволява металите да бъдат изолирани в първоначалната им форма чрез изпаряване на разтворителя (NH3). На фигурата по-долу можете да видите как изглежда натрият, разтворен в течен амоняк.

Как изглежда амонякът по отношение на химичните връзки?

Схемата на амоняка (NH 3) и неговата пространствена структура е най-ясно показана от триъгълна пирамида. Върхът на "пирамидата" на амоняка е азотният атом (маркиран в синьо), както се вижда на изображението по-долу.

Атомите в вещество, наречено амоняк (NH 3 ), са свързани чрез водородни връзки, точно както във водната молекула. Но е много важно да запомните, че връзките в молекулата на амоняка са по-слаби, отколкото във водната молекула. Това обяснява защо точките на топене и кипене на NH3 са по-ниски в сравнение с H2O.

Химични свойства

Най-често срещаните са 2 начина за получаване на вещество NH 3, наречено амоняк. В промишлеността се използва така нареченият процес на Хабер, чиято същност е свързването на атмосферен азот и водород (получен от метан) чрез преминаване на смес от тези газове при високо налягане върху нагрят катализатор.

В лабораториите синтезът на амоняк най-често се основава на взаимодействието на концентриран амониев хлорид с твърд натриев хидроксид.

Нека да преминем към директно разглеждане на химичните свойства на NH 3.

1) NH3 действа като слаба основа. Ето защо се осъществява следното уравнение, описващо взаимодействието с водата:

NH 3 + H 2 O \u003d NH4 + + OH -

2) Също така способността му да реагира с киселини и да образува съответните амониеви соли се основава на основните свойства на NH3:

NH3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 (амониев нитрат)

3) По-рано беше казано, че определена група метали се разтварят в течен амоняк. Някои метали обаче са способни не само да се разтварят, но и да образуват съединения с NH3, наречени амиди:

Na (tv) + NH3 (g) = NaNH 2 + H 2

Na (tv) + NH3 (l) \u003d NaNH 2 + H 2 (реакцията се провежда в присъствието на желязо като катализатор)

4) Когато NH3 взаимодейства с метали Fe 3+, Cr 3+, Al 3+, Sn 4+, Sn 2+, се образуват съответните метални хидроксиди и амониев катион:

Fe 3+ + NH 3 + H 2 O \u003d Fe (OH) 3 + NH 4 +

5) Резултатът от взаимодействието на NH 3 с метали Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Pd 2+, Pt 2+, Pt 4+ най-често са съответните метални комплекси:

Cu 2+ + NH 3 + H 2 O \u003d Cu (OH) 2 + NH 4 +

Cu (OH) 2 + NH 3 \u003d 2 + + OH -

Образуване и по-нататъшен път на NH3 в човешкото тяло

Добре известно е, че аминокиселините са неразделна част от биохимичните процеси в човешкото тяло. Те са основният източник на NH3, вещество, наречено амоняк, резултат от тяхното окислително дезаминиране (най-често). За съжаление, амонякът е токсичен за човешкото тяло; споменатият по-горе амониев катион (NH 4 +) лесно се образува от него и се натрупва в клетките. Впоследствие се наблюдава забавяне на най-важните биохимични цикли и в резултат на това спад в нивото на произведения АТФ.

Лесно е да се досетим, че тялото се нуждае от механизми за свързване и неутрализиране на освободения NH 3 . Диаграмата по-долу показва източниците и някои от продуктите на свързване на амоняка в човешкото тяло.

И така, накратко, неутрализирането на амоняка става чрез образуването на неговите транспортни форми в тъканите (например глутамин и аланин), чрез екскреция в урината, с помощта на биосинтеза на урея, което е основният естествен начин за неутрализиране на NH 3 в човешкото тяло.

Използването на NH3 - вещество, наречено амоняк

В съвремието течният амоняк е най-концентрираният и най-евтиният азотен тор, който се използва в селското стопанство за амонизация на едри почви и торф. При внасяне на течен амоняк в почвата се наблюдава увеличаване на броя на микроорганизмите, но няма отрицателни последици, като например от твърдите торове. Фигурата по-долу показва една от възможните инсталации за втечняване на газообразен амоняк с течен азот.

Изпарявайки се, течният амоняк се абсорбира от околен святмного топлина, причинява охлаждане. Това свойство се използва в хладилни инсталации за получаване изкуствен ледпри съхранение на нетрайни хранителни продукти. В допълнение, той се използва за замразяване на почвата по време на изграждането на подземни съоръжения. Водни разтвориАмонякът се използва в химическата промишленост (той е промишлен неводен разтворител), лабораторната практика (например като разтворител в електрохимичното производство на химически продукти), медицината и домакинството.