Jak wiadomo, chemia zajmuje się badaniem struktury i właściwości substancji, a także ich wzajemnych przemian. Ważne miejsce w charakterystyce związków chemicznych zajmuje pytanie, z jakich cząstek się składają. Mogą to być atomy, jony lub cząsteczki. W ciałach stałych wchodzą w węzły sieci krystalicznych. Struktura molekularna zawiera stosunkowo niewielką liczbę związków w stanie stałym, ciekłym i gazowym.
W naszym artykule podamy przykłady substancji charakteryzujących się molekularnymi sieciami krystalicznymi, a także rozważymy kilka rodzajów oddziaływań międzycząsteczkowych charakterystycznych dla ciał stałych, cieczy i gazów.
Dlaczego musisz znać strukturę związków chemicznych
W każdej gałęzi ludzkiej wiedzy można wyróżnić grupę fundamentalnych praw, na których opiera się dalszy rozwój nauki. w chemii- to jest teoria M. V. Łomonosow i J. D alton, wyjaśniając atomową i molekularną budowę materii. Jak ustalili naukowcy, znając strukturę wewnętrzną, można przewidzieć zarówno właściwości fizyczne, jak i chemiczne związku. Cała ogromna ilość substancji organicznych sztucznie syntetyzowanych przez człowieka (tworzywa sztuczne, leki, pestycydy itp.) ma z góry określone cechy i właściwości, które są najbardziej wartościowe dla jego potrzeb przemysłowych i domowych.
Wiedza o cechach budowy i właściwościach związków jest potrzebna przy prowadzeniu odcinków kontrolnych, testów i egzaminów z chemii. Na przykład na proponowanej liście substancji znajdź prawidłowe odpowiedzi: jaka substancja ma strukturę molekularną?
- Cynk.
- Tlenek magnezu.
- Diament.
- Naftalen.
Prawidłowa odpowiedź to: cynk ma strukturę molekularną, podobnie jak naftalen.
Siła oddziaływania międzycząsteczkowego
Udowodniono eksperymentalnie, że struktura molekularna jest charakterystyczna dla substancji o niskich temperaturach topnienia i niskiej twardości. Jak wytłumaczyć kruchość sieci krystalicznych tych związków? Jak się okazało, wszystko zależy od siły łącznego oddziaływania cząstek znajdujących się w ich węzłach. Ma charakter elektryczny i nazywa się oddziaływaniem międzycząsteczkowym lub siłami van der Waalsa, które opierają się na oddziaływaniu na siebie przeciwnie naładowanych cząsteczek - dipoli. Okazało się, że istnieje kilka mechanizmów ich powstawania,w zależności od charakteru samej substancji.
Kwasy jako związki o składzie cząsteczkowym
Roztwory większości kwasów, zarówno organicznych, jak i nieorganicznych, zawierają cząstki polarne, które są zorientowane względem siebie z przeciwnie naładowanymi biegunami. Na przykład w roztworze kwasu solnego HCl występują dipole, między którymi zachodzą oddziaływania orientacyjne. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki kwasu chlorowodorowego, bromowodorowego (HBr) i innych kwasów zawierających chlorowiec zmniejszają efekt orientacji, ponieważ ruch termiczny cząstek zakłóca ich wzajemne przyciąganie. Oprócz powyższych substancji strukturę molekularną mają sacharoza, naftalen, etanol i inne związki organiczne.
Jak powstają indukowane naładowane cząstki
Wcześniej rozważaliśmy jeden z mechanizmów działania sił Van der Waalsa, zwany interakcją orientacyjną. Oprócz substancji organicznych i kwasów zawierających halogen, tlenek wodoru, woda ma strukturę molekularną. W substancjach składających się z niepolarnych, ale podatnych na tworzenie dipoli cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla CO2, można zaobserwować pojawienie się indukowanych cząstek naładowanych - dipoli. Ich najważniejszą właściwością jest zdolność do wzajemnego przyciągania się dzięki pojawieniu się elektrostatycznych sił przyciągania.
Struktura molekularna gazu
W poprzednim podtytule wspomnieliśmy o złożonym dwutlenku węgla. Każdy z jego atomów tworzy wokół siebie pole elektryczne, które indukuje:polaryzacja na atom pobliskiej cząsteczki dwutlenku węgla. Zmienia się w dipol, który z kolei staje się zdolny do polaryzacji innych cząstek CO2. W rezultacie cząsteczki są do siebie przyciągane. Oddziaływanie indukcyjne można również zaobserwować w substancjach składających się z cząstek polarnych, jednak w tym przypadku jest ono znacznie słabsze niż orientacyjne siły van der Waalsa.
Interakcja dyspersyjna
Zarówno same atomy, jak i tworzące je cząstki (jądro, elektrony) są zdolne do ciągłego ruchu obrotowego i oscylacyjnego. Prowadzi to do pojawienia się dipoli. Jak wynika z badań mechaniki kwantowej, natychmiastowe występowanie podwójnie naładowanych cząstek zachodzi synchronicznie zarówno w ciałach stałych, jak i w cieczach, tak że końce cząsteczek znajdujących się w pobliżu okazują się mieć przeciwne bieguny. Prowadzi to do ich przyciągania elektrostatycznego, zwanego interakcją dyspersyjną. Jest charakterystyczny dla wszystkich substancji, z wyjątkiem tych, które są w stanie gazowym i których cząsteczki są jednoatomowe. Jednak siły van der Waalsa mogą powstać np. podczas przejścia gazów obojętnych (hel, neon) w fazę ciekłą w niskich temperaturach. Zatem struktura molekularna ciał lub cieczy determinuje ich zdolność do tworzenia różnego rodzaju oddziaływań międzycząsteczkowych: orientacyjnych, indukowanych lub dyspersyjnych.
Co to jest sublimacja
Struktura molekularna ciała stałego, np. kryształy jodu,powoduje tak ciekawe zjawisko fizyczne jak sublimacja - ulatnianie się cząsteczek I2 w postaci fioletowych par. Występuje z powierzchni substancji w fazie stałej, z pominięciem stanu ciekłego.
Ten spektakularny wizualnie eksperyment jest często przeprowadzany w szkolnych salach lekcyjnych chemii, aby zilustrować cechy strukturalne sieci krystalicznych molekularnych i związane z nimi właściwości związków. Zwykle są to niska twardość, niska temperatura topnienia i wrzenia, słaba przewodność cieplna i elektryczna oraz lotność.
Praktyczne wykorzystanie wiedzy o budowie substancji
Jak widzieliśmy, można ustalić pewną korelację między rodzajem sieci krystalicznej, strukturą i właściwościami związku. Dlatego, jeśli znamy cechy substancji, to dość łatwo przewidzieć cechy jej struktury i składu cząstek: atomów, cząsteczek czy jonów. Uzyskane informacje mogą być również przydatne, jeśli w zadaniach z chemii konieczne jest prawidłowe dobranie substancji, które mają strukturę molekularną z pewnej grupy związków, z wyjątkiem tych, które mają sieci atomowe lub jonowe.
Reasumując, możemy stwierdzić, że za jego właściwości fizyczne i chemiczne w pełni odpowiada struktura molekularna ciała stałego, jego przestrzenna struktura sieci krystalicznych oraz układ spolaryzowanych cząstek w cieczach i gazach. W ujęciu teoretycznym właściwości związków,zawierające dipole zależą od wielkości sił oddziaływania międzycząsteczkowego. Im wyższa polaryzacja cząsteczek i im mniejszy promień tworzących je atomów, tym silniejsze siły orientacji powstają między nimi. Wręcz przeciwnie, im większe atomy tworzące cząsteczkę, tym wyższy jest jej moment dipolowy, a co za tym idzie, większe siły dyspersyjne. Zatem struktura molekularna ciała stałego wpływa również na siły oddziaływania między jego cząstkami - dipolami.
