Водородная межмолекулярная связь

это связь, образованная положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы - А-Н и электроотрицательным атомом В - другой молекулы

Межмолекулярная Н-связь: А^- – Н⁺ + В^- – R ® А^- – Н⁺... В^- – R

^{водородная связь}

Атомы А и В – одинаковые: Н^d+- F^d- + Н^d+- F^d- ® H-F... H-F

Атомы А и В – разные:

Признак водородной связи: расстояние между ядром Н и ядром атома В меньше, чем это расстояние при вандерваальсовом взаимодействии. Наиболее прочные связи с элементами II периода: - Н... F- > -Н... O= > -Н... N≡

Энергия водородной связи имеет промежуточное значение между энергией ковалентной связи и вандерваальсовыми силами.

Возникновение водородных связей приводит к ассоциации молекул: к образованию димеров, тримеров и других полимерных структур, зигзагообразных структур (НF)_n, спиральных структур белков, кристаллического строения льда, кольцевой димерной структуры низших карбоновых кислот и др. Межмолекулярные Н-связи изменяют свойства веществ: повышают вязкость, диэлектрическую постоянную, температуру кипения и плавления, теплоту плавления и парообразования вещества: Н₂О, НF и NН₃ - аномально высокие Т_кип и Т_пл.

ПРИМЕР. Чем Вы объясните более высокую температуру кипения NH₃ по сравнению с PH₃?

Обе молекулы – полярны. Между молекулами РН₃ – вандерваальсовы взаимодействия, а в системе, состоящей из молекул NH₃ кроме вандерваальсовых взаимодействий присутствуют межмолекулярные водородные связи, следовательно, для фазового перехода NH₃ нужно приложить больше энергии и Т_кипNH₃ выше.

 

Свойства твердых тел

Состояния вещества – твердое, жидкое, газообразное.

Твердое вещество:

– аморфное: нет определенной Т_{пл -} существует интервал размягчения (смола, стекло, пластилин)

- кристаллическое: определенная Т_пл (NaCl, графит, металлы)

Частицы твердого кристаллического тела: атомы, молекулы, ионы.

Положения частиц в кристалле – узлы. Трехмерное расположение узлов – кристалл. Простейшая часть кристалла – элементарная ячейка.

Виды кристаллов и их свойства

Молекулярный.

1.1. В узлах – атомы, связанные дисперсионными силами (Ar, Ne…). Непрочные, легко переходят из конденсированного в газообразное состояние, Т_кип. низкая, плохие тепло- и электропроводность.

1.2. В узлах – молекулы, связанные вандерваальсовыми и водородными силами (H₂, O₂, CO₂, CH₄, NH₃, H₂O_, HF, органические вещества). Многие летучи и при обычных Т – газы. Твердость, плотность невелики. Кристаллы с полярными молекулами более прочны, чем с неполярными. Твердость и прочность еще более увеличивается с появлением водородных связей. Диэлектрики. Низкие температуры плавления. Плохая растворимость в воде.

Примеры веществ: лед, «сухой лед» (оксид углерода (IV), твердые галогены, твердые галогеноводороды.

Ионный

В узлах – ионы, связанные ионной связью (соли щелочных, щелочноземельных металлов, некоторые оксиды щелочных металлов). Е_ион.кр. тем больше, чем больше произведение зарядов ионов и чем меньше расстояние между ионами в узлах кристалла. Твердые, но хрупкие. Т_плавл. высокая. Плохие тепло- и электропроводность. Диэлектрики, но растворы и расплавы электропроводны.

 

ПРИМЕР

Температура плавления какого из веществ больше - KF или KBr (при одинаковом типе элементарной ячейки)?

Так как R_Br>R_F то E_{крис.реш.KBr} < E _{крис.реш.KF} и Т_{плав.КBr} < T_Плав.KF

Атомно-ковалентный

В узлах – атомы, связанные ковалентной химической связью (С алмаз, Ge, Si, Sn_белое…., SiC, SiO_2, ZnS, Al₂N₃…). Очень твердые с высокой Т_плав. Электропроводность разная: от диэлектрика алмаза, полупроводников Ge, Si до проводника С (угля).

У алмаза:sp³- гибридизация. Тетраэдр, вписанный в куб. Нет подвижных ℮ - диэлектрик.

Ge: идеальный кристалл с sp³- гибридизацией АО только при 0 К, а при ↑Т – разрыв связей, появляются свободные электроны → полупроводник.

Графит: sp²- гибридизация АО в слоях, между слоями вандерваальсовы взаимодействия. Свободный четвертый электрон каждого атома вступает в π-связь с соседними атомами, обеспечивая электропроводимость и теплопроводность.

 

Металлический

В узлах находятся положительные ионы металлов, связанные с обобществленными электронами металлической химической связью. Природа МС обуславливает металлические свойства: высокая электропроводность (Cu, Ag, Au, Al, Fe…) и теплопроводность (Ag, Cu…), ковкость (возможность придать форму) и пластичность (деформация без разрушения), металлический блеск (M ^һν↔ M^*). Плотность, твердость – от невысокой у щелочных до очень высокой у d-металлов (Mo, W), что объясняют разной степенью упаковки атомов в решетке (она тем больше, чем больше К.Ч, атомная масса и меньше радиус атома). Температура плавления разная. Высокие значения Т_плав у d-металлов обусловлены более высокой Е_крист по сравнению с Е_крист у s- p-металлов из-за наличия большего количества валентных электронов и дополнительных к металлическим локализованных ковалентных связей. Кроме того, чем больше атомная масса, тем больше Т_плав

Примеры веществ: металлы, сплавы

 

ПРИМЕР

Какова природа сил взаимодействия между частицами в кристаллах Li и Мо? Какие физико – химические свойства характерны для этого типа кристаллов? У какого из этих веществ больше энергия кристаллической решетки и выше температура плавления?

Li – S-металл, с металлическим типом кристалла (атомы связанны металлической связью). Мо – d–металл, со смешанным типом кристалла (атомы из-за наличия большего количества валентных электронов связаны дополнительными к металлическим локализованными ковалентными связями).

Поэтому Мо имеет большую Е_кр.реш, чем у Li, поэтому его труднее разрушить и его Т_плавл выше.

Характеристики некоторых веществ в твердом кристаллическом состоянии

Вещество	Вид кристалла	Екр.решетки, кДж/моль	Тпл,, ºС	Электропроводность, Oм-1·м-1
СН4	молекулярный	10,0	-182	-
НСl	молекулярный	21,3	-112	-
Н2О	молекулярный	50,2		-
С (алмаз)	атомно--ковалентный			1·10-15
Ge	атомно-ковалентный			1-2
NaCl	ионный			1·10-15
Na	металлический	108,3		2,4·107
Al	металлический			3,8·107
Zn	металлический			1,7·107
Mo	металлический			1,3·107

 

Типы кристаллических решеток

Характе-ристики	Тип решетки
атомно-ковал.	ионная	молекулярная	металлическая
Вид частиц в узлах	Атомы	Ионы	Молекулы	Атом (ион) металла
Характер хим.связи между частицами	Ковалентная	Ионная	Силы межмолекулярного взаимодействия	Металлическая связь
Прочность связи	Очень прочная	Прочная	Слабая	Разной прочности
Отличи- тельные свойства веществ	Твердые, тугоплавкие, нелетучие, нерастворимы в воде	Твердые, тугоплавкие, нелетучие, растворимы в воде (многие)	Хрупкие, легкоплавкие, при обычных условиях часто – жидкие или газы	Металл. блеск, хорошие электро-и теплопроводность, ковкость, пластичность
Примеры веществ	Кремний, алмаз	NaCl, CaCl2, основания	Йод, лед, «сухой лед»	Медь, железо, золото