Е.Н.Френкел

Урок по химия

Наръчник 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. Понятие за химическа връзка

Предишните глави на това ръководство обсъждаха 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 в една молекула?

Задържа 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 друга. Не е ли това силата, която привлича атомите един към друг? Наистина изследванията 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 Единния държавен изпит "Изпит". На сайта ще намерите всички необходими материали за самостоятелна подготовка за Единния държавен изпит - изготвяне на уникален план за подготовка за всеки потребител, проследяване на напредъка по всяка тема от предмета, теория и задачи. Всички задачи са в съответствие с последните промени и допълнения. Също така е възможно да се изпращат задачи от писмената част на Единния държавен изпит на експерти за получаване на точки и анализ на работата според критериите за оценка. Задачи под формата на куестове с натрупване на опит, завършване на нива, получаване на бонуси и награди, състезания с приятели в арената на единния държавен изпит. За да започнете подготовката, следвайте връзката: https://examer.ru.

Когато се описва структурата на атомите, беше показано, че всички атоми, с изключение на атомите на благородния газ, са склонни да получават или да се отказват от електрони. Причината е образуването на стабилно външно ниво от осем електрона (като благородните газове). Когато електроните се приемат или отдават, електрически зарядии, като следствие, електростатично взаимодействие на частиците. Ето как възниква йонна връзка , т.е. връзка между йони.

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

Например, атом на активен метал и активен неметал участва в реакция:

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 общ заряд от –10. Следователно зарядът на натриевия йон е +1. Кратък запис 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 един друг, което води до йонна връзка и „йонна молекула“:

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

Формално на натриевия сулфид се приписва точно този молекулен състав, въпреки че веществото, 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 осъществява преносът на електрони, когато възниква йонна връзка между атомите:

а) калций и хлор;

б) алуминий и кислород.

ПОМНЯ! Метален атом отдава външни електрони; Атомът на неметала поема липсващите електрони.

Заключение.Съгласно описания по-горе механизъм се образува йонна връзка между атомите на активните метали и активните неметали.

Изследванията обаче показват, че пълното прехвърляне 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*. Тази връзка се нарича ковалентен .

Ковалентната връзка възниква поради образуването на споделени електронни двойки. Този тип връзка се образува например между неметални атоми. Така е известно, че молекулата на азота се състои от два атома - N 2. Как възниква 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 завършване на външното ниво?

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

Въпрос. Защо три електрона са представени с единични точки?

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

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

Всяка двойка електрони съответства на една ковалентна връзка.Колко ковалентни връзки са се образували? Три. Ние показваме всяка връзка (всяка споделена двойка електрони) с помощта на тире (валентна черта):

Всички тези формули обаче не дават отговор на въпроса: какво свързва атомите, когато се образува ковалентна връзка? Електронната формула показва, че между атомите е разположена обща двойка електрони. В тази област на пространството се появява излишен отрицателен заряд. А ядрата на атомите, както е известно, 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 възникне такава връзка между различни атоми? Може би. Нека азотен атом взаимодейства с водородни атоми:

Структурата на водородния атом показва, че атомът има един електрон. Колко от тези атоми трябва да бъдат взети, така че азотният атом да "получи това, което иска" - три електрона? Очевидно три водородни атома
(фиг. 4):

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

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

Въпреки че молекулите N 2 и NH 3 съдържат един и същ азотен атом, химичните връзки между атомите са различни една от друга. В молекулата на азота N2 се образуват химични връзки идентични атоми, така че споделените двойки електрони са разположени 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 общата двойка електрони. Общите двойки електрони се изместват към азотния атом и върху него се появява малък отрицателен заряд, а върху водородния атом - положителен, възникват полюси на електричество - връзка полярен (фиг. 5).

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

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

Видът на химичната връзка влияе върху свойствата на веществото и поведението му в разтвори. И така, колкото по-голямо е привличането между частиците, толкова по-трудно е да ги откъснете една от друга и толкова по-трудно е да превърнете твърдото вещество в газообразно или течно състояние. Опитайте се да определите в схемата по-долу кои частици имат по-големи сили на взаимодействие и каква химична връзка се образува (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-малко взаимодействие между незаредени частици (случай III - неполярна ковалентна връзка). Такива вещества най-често са газове.

Задача 4.2.Определете каква химична връзка възниква между атомите във веществата: NaCl, HCl, Cl 2, AlCl 3, H 2 O. Дайте обяснения.

Задача 4.3.Композирайте електронни и графични формулиза тези вещества от задача 4.2, в които сте установили наличието на ковалентна връзка. За йонно свързване начертайте диаграми за пренос на електрони.

Глава 5. Решения

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

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

Какво е хомогенна смес? Хомогенността на една смес предполага, че между съставните й вещества липсващ 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 си представим, че в допълнение към водните молекули, тя съдържа добра дузина йони и молекули (O 2, CO 2, Ca 2+ и др.). И никакъв микроскоп няма да ви помогне да видите тези частици.

Но липсата на интерфейс не е единственият признак за хомогенност. В хомогенна смес съставът на сместа е еднакъв във всяка точка. Следователно, за да получите разтвор, трябва старателно да смесите компонентите (веществата), които го образуват.

Разтворите могат да имат различни състояния 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 се убедите, че водата е сладка и захарта не е изчезнала. Но защо не се вижда?

Факт е, че по време на разтварянето 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 разтворимото вещество става под въздействието на разтворител, например вода. Но разтворителят ще може да „издърпа“ кристала, твърдото вещество, в молекули, ако успее да „хване“ 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 разтворимите, така и разтворителите) е сходна. 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. Няма такива сили 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 хидрати на соли (кристални хидрати), които лесно се разлагат при нагряване:

Второ, по време на разтварянето, както вече беше споменато, възниква процес на раздробяване. А това консумира енергия и абсорбира топлина.

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) когато амониевият нитрат се разтваря 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. Ето защо твърди веществаобикновено се разтваря в топла 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 разтвора 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. Това решение се нарича богат. За силно разтворими вещества, наситеният разтвор ще съдържа много разтворено вещество. Така един 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. Така един 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 спрямо разтворителя, той се нарича концентриран, ако има малко вещество, той се нарича разреден. Много често неговите свойства и следователно приложението му зависят от състава на разтвора.

По този начин разреден разтвор на оцетна киселина (трапезен оцет) се използва като ароматизатор, 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) – маса на разтвореното вещество в разтвора; м(разтвор) – общата маса на разтвор, съдържащ разтворено вещество и разтворител.

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

Изводи за глава 5.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

2NH3 + 3CuO = 3Cu + N2 + 3H2O

4NH3 +3O2 = 2N2 + 6H2O

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

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

За разлика от водородни съединениянеметали от групи VI и VII, амонякът не проявява киселинни свойства. Въпреки това, водородните атоми в неговата молекула все още могат да бъдат заменени от метални атоми. Когато водородът е напълно заменен с метал, се образуват съединения, наречени нитриди, които също могат да бъдат получени чрез директно взаимодействие на азота с метала при високи температури.

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

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

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

NH3 + HCl = NH4Cl

NH 4 Cl = NH 3 + HCl (при нагряване)

Производство на амоняк

Има 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 = 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. Амонякът се освобождава в течна форма или под формата на 25% воден разтвор - амонячна вода. Основните области на използване на амоняка са производството на азотна киселина (последващо производство на азотсъдържащи минерални торове), амониеви соли, урея, хексамин, синтетични влакна (найлон и найлон). Амонякът се използва като хладилен агент в промишлени хладилни агрегати и като избелващ агент при почистване и боядисване на памук, вълна и коприна.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение	Каква е масата и обемът на амоняка, които ще са необходими за производството на 5 тона амониев нитрат?
Решение	Нека напишем уравнението за реакцията на получаване на амониев нитрат от амоняк и азотна киселина: NH3 + HNO3 = NH4NO3 Съгласно уравнението на реакцията количеството вещество амониев нитрат е равно на 1 mol - v(NH 4 NO 3) = 1 mol. След това масата на амониевия нитрат, изчислена от уравнението на реакцията: m(NH4NO3) = v(NH4NO3) × M(NH4NO3); m(NH4NO3) = 1×80 = 80 t Съгласно уравнението на реакцията количеството амонячно вещество също е равно на 1 mol - v(NH 3) = 1 mol. След това масата на амоняка се изчислява по уравнението: m(NH3) = v(NH3)×M(NH3); m(NH3) = 1×17 = 17 t Нека направим пропорция и намерим масата на амоняка (практично): x g NH 3 – 5 t NH 4 NO 3 17 t NH 3 – 80 t NH 4 NO 3 x = 17×5/80 = 1,06 m(NH3) = 1,06 t Нека направим подобна пропорция, за да намерим обема на амоняка: 1,06 g NH3 – x l NH3 17 t NH 3 – 22,4×10 3 m 3 NH 3 x = 22,4×10 3 ×1,06 /17 = 1,4×10 3 V(NH 3) = 1,4 × 10 3 m 3
Отговор	Маса на амоняка - 1,06 t, обем на амоняка - 1,4×10 m

3.3.1 Ковалентна връзка 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 атомната валентна лента.

Ковалентната връзка се образува само от двойка електрони, разположени между атомите. Нарича се разделен чифт. Останалите двойки електрони се наричат ​​несподелени двойки. Те запълват черупките и не участват в свързването.Връзката между атомите може да се осъществява не само от една, но и от две и дори три разделени двойки. Такива връзки се наричат двойно и т.н swarm - множество връзки.

3.3.1.1 Ковалентна неполярна връзка. Нарича се връзка, постигната чрез образуването на електронни двойки, които принадлежат еднакво на двата атома ковалентен неполярен. Това се случва 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 . С 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 (несиметрична) ковалентна връзка - свързване между атоми с различна електроотрицателност (2 > ΔEO > 0,4) и асиметрично разпределение на общата електронна двойка. Обикновено се образува между два неметала.

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

C   Cl   C   O   C  N   O  H   C  Mg  .

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. Допълнителни сили на привличане действат между частични заряди с противоположен знак. Следователно, колкото по-полярна е връзката, толкова по-силна е тя.

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

3.3.2 Йонно свързване. Движещата сила зад неговото формиране е същото желание на атомите за октетната обвивка. Но в някои 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, отдавайки своя 3s 1 електрон на флуора, става Na + йон и остава със запълнена обвивка 2s 2 2p 6, което съответства на електронната конфигурация на неоновия атом. Флуорът придобива точно същата електронна конфигурация, като приема един електрон, донесен от натрия. В резултат на това между противоположно заредените йони възникват електростатични сили на привличане.

Йонна връзка - екстремен 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. Поради това йонна връзка няма пространствено фокус И насищане , тъй като всеки йон е свързан с определен брой противойони (йонно координационно число). Следователно съединенията с йонна връзка 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. Практически няма съединения с чисто йонни връзки, тъй като определено количество ковалентност винаги остава поради факта, че не се наблюдава пълен трансфер 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 много често се характеризират елементи в съединения с йонни връзки степен на окисление , което от своя страна съответства на стойността на заряда на йона на елемента в дадено съединение.

Степен на окисление - това е конвенционален 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 се е отказал от своите електрони, а отрицателен йон се образува от елемента, който е приел тези електрони.

Елементът, разположен в най-висока степен на окисление (максимално положителен), вече се е отказал от всички свои валентни електрони, разположени в AVZ. 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 бъдат равни 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 равна на нула , тъй като не могат да приемат електрони.

Например AVZ на сярата има формата: 3s 2 3p 4. Ако един атом отдаде всичките си електрони (шест), той ще спечели най-висока 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 = 6 – 8= –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, а голям брой делокализирани (свободни) електрони 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 насоченост на връзките, тъй като валентните електрони са разпределени почти равномерно върху кристала. 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 на образуване на ковалентна връзка, според който споделена 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).

Веднъж образуван, той 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 амониев йон

Електронната формула на ABZ 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 несподелената електронна двойка на азота. 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 азотен атом чрез обща електронна двойка, едната от които е реализирана чрез донорно-акцепторен механизъм. Важно е да се отбележи, че H-N връзки, образувани по различни механизми, нямат разлики 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 се появяват четири орбитали с абсолютно еднаква форма.

Донорите обикновено са атоми с голям брой електрони, но с малък брой несдвоени електрони. За елементи от период II, в допълнение към азотния атом, такава възможност е налична за кислорода (две несподелени двойки) и флуора (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 по-лесно изписване 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 H2O са забележимо полярни по природа, с излишък от отрицателен заряд – на кислородния атом. Водородният атом, напротив, придобива малък положителен заряд  + и може да взаимодейства с несподелените двойки електрони на кислородния атом на съседна 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 се появи:

защото кислородният атом има две несподелени двойки електрони.

Наличието на водородни връзки обяснява високите температури на кипене на водата, алкохолите и карбоксилните киселини. Поради водородните връзки водата се характеризира с толкова високи температури на топене и кипене в сравнение с H 2 E (E = S, Se, Te). Ако нямаше водородни връзки, тогава водата щеше да се стопи 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 върху физическите и Химични свойствавещества.

Атомите на други елементи не образуват водородни връзки , тъй като силите на електростатично привличане на противоположните краища на диполите на полярните връзки (O-H, N-H и т.н.) са доста слаби и действат само на къси разстояния. Водородът, който има най-малкия атомен радиус, позволява на такива диполи да се приближат толкова много, че привличащите сили да станат 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-универсалният тип междумолекулна връзка. Енергията на ван дер Ваалсовата връзка е по-малка от тази на водородната връзка и възлиза на 2–20 kJ/∙mol.

В зависимост от начина на възникване силите 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, което определя какъв вид връзка се образува между тях - йонна или ковалентна - Това е електроотрицателност, т.е. способността на атомите в едно съединение да привличат електрони.

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

По периоди има обща тенденция електроотрицателността на елементите да нараства, а по групи - да намалява. Елементите са подредени в редица според тяхната електроотрицателност, на базата на която може да се сравни електроотрицателността на елементи, разположени в различни периоди.

Видът на химическата 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 химическата 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 химичната връзка е по-тясна по природа, тя се класифицира 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 йонни връзки с типични неметали, главно халогени.

Освен халогениди алкални метали, йонни връзки също се образуват в съединения като основи 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 полярни ковалентни).

Ковалентна неполярна връзка.

При взаимодействие на атоми с еднаква електроотрицателност се образуват молекули с ковалентна неполярна връзка.Такава връзка съществува в следните молекули прости вещества: H2, F2, Cl2, O2, N2. Химичните връзки в тези газове се образуват чрез споделени 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 споделена електронна двойка е конвенционален образповишена електронна плътност в резултат на припокриването на съответните електронни облаци.

Ковалентна полярна връзка.

Когато атомите взаимодействат, стойностите на електроотрицателността на които се различават, но не рязко, общата електронна двойка се измества към по-електроотрицателен атом.Това е най-разпространеният тип химична връзка, открита както в неорганични, така и в органични съединения.

Ковалентните връзки също така напълно включват тези връзки, които се образуват от донорно-акцепторен 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 характерен 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 възниква 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(O,N,F) друга молекула се нарича водородна връзка.

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

Това се обяснява с атомен радиусводородът е много малък. Освен това, когато измества или напълно отдава единствения си електрон, водородът придобива относително висок положителен заряд, поради което водородът на една молекула взаимодейства с атоми на електроотрицателни елементи, които имат частичен отрицателен заряд, който влиза в състава на 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 = 2,3,4 и т.н. Това се обяснява с факта, че отделните водни молекули са свързани една с друга чрез водородни връзки .

Водородните връзки обикновено се означават с точки. Той е много по-слаб от йонните или ковалентните връзки, но по-силен от обикновените междумолекулни взаимодействия.

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 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 обяснява вторична структурапротеини, структурата на двойната спирала на ДНК, т.е. феноменът на комплементарност.

NH3 е един от най-известните и полезни химически вещества. Намира широко приложение в селскостопанската индустрия и не само. Отличава се с уникални химични свойства, благодарение на които се използва в различни индустрии.

Какво е NH3

NH3 е известен дори и на най-невежите по химия хора. 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!

Освен газ, той може да бъде течност при температура около 70 ° C или да съществува под формата на разтвор (разтвор на амоняк). Отличителна черта на течния NH3 е способността да разтваря в себе си металите от основните подгрупи I и II от групите на таблицата на елементите на D.I. 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?

Диаграмата на амоняка (NH3) и неговата пространствена структура е най-ясно показана от триъгълна пирамида. Върхът на амонячната „пирамида“ е азотният атом (маркиран в синьо), както може да се види на изображението по-долу.

Атомите в вещество, наречено амоняк (NH 3), се държат заедно 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 2 метода за производство на вещество NH 3, наречено амоняк. Индустрията използва така наречения процес на Хабер, чиято същност е да се свържат азота във въздуха и водорода (получен от метан) чрез преминаване на смес от тези газове при високо налягане през 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 изследване на химичните свойства на NH3.

1) NH3 действа като слаба основа. Ето защо следното уравнение описва взаимодействието с водата:

NH3 + H2O = NH4 + + OH -

2) Също така се основава на основните свойства на NH 3 е способността му да реагира с киселини и да образува съответните амониеви соли:

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 (твърд) + NH3 (l) = NaNH 2 + H 2 (реакцията се провежда в присъствието на желязо като катализатор)

4) Когато NH3 взаимодейства с металите 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 = 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 = Cu(OH) 2 + NH 4 +

Cu(OH) 2 + NH 3 = 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, той лесно образува гореспоменатия амониев катион (NH 4 +), който се натрупва в клетките. Впоследствие най-важните биохимични цикли се забавят и в резултат на това нивото на произведения АТФ намалява.

Не е трудно да се досетим, че тялото се нуждае от механизми за свързване и неутрализиране на освободения NH3. Диаграмата по-долу показва източниците и някои от продуктите на свързване на амоняка в човешкото тяло.

И така, казано накратко, амонякът се неутрализира чрез образуването на неговите транспортни форми в тъканите (например глутамин и аланин), чрез екскреция в урината, като се използва биосинтеза на урея, което е основният естествен начин за неутрализиране на NH3 в човешкото тяло.

Приложение на NH3 - вещество, наречено амоняк

В съвремието течният амоняк е най-концентрираният и най-евтиният азотен тор, който се използва в селското стопанство за амонизиране на едри почви и торф. Когато се добави течен амоняк към почвата, броят на микроорганизмите се увеличава, но няма отрицателни последици, като например от твърдите торове. Фигурата по-долу показва една от възможните инсталации за втечняване на амонячен газ с течен азот.

Тъй като течният амоняк се изпарява, той абсорбира от заобикаляща средамного топлина причинява охлаждане. Това свойство се използва в хладилни агрегати за получаване изкуствен ледпри съхранение на нетрайни хранителни продукти. В допълнение, той се използва за замразяване на почвата по време на изграждането на подземни конструкции. 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 домакинската употреба.