Химия шпоры. Химия (Ответы на вопросы). Классификация основных классов неорганических веществ. Составление формул и номенклатура химических соединений
 Скачать 489.52 Kb.
|
|
34. Уравнение Шредингера. Квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное, спиновое): определения, обозначения, значения. Главное квантовое число n определяет основной запас энергии электрона, т.е. степень его удаления от ядра, или размер электронного облака (орбитали). Оно может принимать целочисленные значения от 1 до ∞. Состояние электрона, характеризующееся определенным значением n,называется энергетическим уровнем электрона в атоме. Электроны, имеющие одинаковые значения n, образуют электронные слои (электронные оболочки), обозначаемые цифрами 1,2,3,4,5… или соответственно буквами: K, L, M, N, O… Наименьшее значение энергии Е соответствует n=1. Остальным квантовым состояниям отвечают более высокие значения энергий, и электроны, находящиеся на этих энергетических уровнях, менее прочно связаны с ядром. Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое числоlопределяет орбитальный момент количества движения электрона l =   и характеризует форму электронного облака (рис.34.2). Оно принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1). Каждому n соответствует определенное число значений орбитального квантового числа, т.е. энергетический уровень представляет собой совокупность энергетических подуровней, несколько различающихся по энергиям. Число подуровней, на которые расщепляется уровень, равно номеру уровня (т.е. численному значению n). Энергетический подуровень- это состояние электрона в атоме, характеризующееся определенным набором квантовых чисел n, l.Такое состояние электрона, соответствующее определенным значениям n и l (т.е. тип орбитали), записывается в виде сочетания цифрового обозначения n и буквенного l, например:4р (n=4; l=1);5d (n =5; l =2). Магнитное квантовое число ml определяет значение орбитального момента количества движения электрона L на произвольно выделенную ось z: Lz =  ml, т.е. характеризует пространственную ориентацию электронного облака. Спиновое квантовое число S характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно может иметь только два значения +1/2 или –1/2. Состояние электрона в атоме водорода описывается волновой функцией ψ, удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера, учитывающие значение U(r):  m-масса электрона, Е- полная энергия электрона в атоме. В квантовой механике доказывается, что уравнению Шредингера удовлетворяют собственные функции ψnlm(r,θ,φ), определяемые 3 квантовыми числами: главным орбитальным l и магнитным ml. 35. Принцип Паули. Правило Хунда. Правило Клечковского. В1925 г. швейцарский физик В. Паули (в 1945 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике) установил правило, названное впоследствии принципом Паули (или запретом Паули): В атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами. Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется как 2n2, а на подуровне – как 2(2l+1). Последовательность заполнения электронами орбиталей осуществляется в соответствии с принципом минимальной энергии, согласно которому электроны заполняют орбиталей в порядке повышения уровня энергии орбиталей. Очередность орбиталей по энергии определяется правилом Клечковского: увеличение энергии, и соответственно, заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы (n+l), а при равной сумме (n+l) – в порядке возрастания n Правило Хунда определяет порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: модуль суммарного значения спиновогоквантового числа электронов данного подслоя должен быть максимальным. Сформулировано Фридрихом Хундом в 1925 году. Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю. 36. Распределение электронов по квантовым ячейкам. S-, p- и d- элементы. Электронные провалы. Распределение электронов по энергетическим уровням объясняет металлические, а также неметаллические свойства любых элементов. Существует определенное правило, согласно которому и размещаются свободные и спаренные отрицательные частицы на уровнях и подуровнях. Рассмотрим подробнее распределение электронов по энергетическим уровням. На первом энергетическом уровне располагается всего два электрона. Заполнение ими орбитали осуществляется по мере увеличения запаса энергии. Распределению электронов в атоме химического элемента соответствует порядковый номер. У энергетических уровней с минимальным номером максимально выражена сила притяжения валентных электронов к ядру. В зависимости от того, какое строение имеет внешний энергетический уровень, существует подразделение всех нейтральных атомов, входящих в таблицу Менделеева, на четыре семейства: s-элементы находятся в первой и второй группах (главных подгруппах);p-семейство располагается в III-VIII группах (А подгруппах);d-элементы можно найти в подобных подгруппах с I-VIII группы;f-семейство составляют актиноиды и лантаноиды. У всех s-элементов в нормальном состоянии есть валентные электроны на s-подуровне. Для p-элементов характерно наличие свободных электронов на s- и p-подуровнях. У d-элементов в невозбужденном состоянии есть валентные электроны и на последнем s-, и на предпоследнем d- подуровне. Заключение Состояние любого электрона в атоме можно описать с помощью набора основных чисел. В зависимости от особенностей его строения, можно вести речь об определенном запасе энергии. Пользуясь правилом Хунда, Клечковского, Паули для любого элемента, входящего в таблицу Менделеева, можно составить конфигурацию нейтрального атома. Самым небольшим запасом энергии в невозбужденном состоянии обладают электроны, расположенные на первых уровнях. При нагревании нейтрального атома наблюдается переход электронов, что всегда сопровождается изменением количества свободных электронов, приводит к существенному изменению показателя степени окисления элемента, изменению его химической активности. 37. Связь электронного строения атомов с положением их в ПС. Периодический закон Д.И. Менделеева и его графическое выражение. Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атомов. У каждого последующего элемента периодической системы на один электрон больше, чем у предыдущего. Полные записи электронных конфигураций (формул) первых двух периодов приведены в табл. 1.3. Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия (Z=2). Оба элемента являются s-элементами. Атомом гелия заканчивается формирование первого уровня (K-оболочки; n = 1) атома, обозначим её [He]. У элементов второго периода формируется второй энергетический уровень (L – оболочка; n = 2), заполняются s- и p- подуровни. Li (Z = 3) и Be (Z=4) относятся к s –элементам, остальные шесть элементов периода входят в число p-элементов. У элемента Ne (Z=10) полностью заполнен 2p –подуровень, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne]. Электронные конфигурации элементов в основном состоянии в краткой записи представлены в приложении 1(запись электронной конфигурации полностью заполненных подуровней предыдущих периодов не приводится). У элементов 3-го периода заполняется третий уровень (оболочка М; n=3), состоящий из 3s-, 3p- и 3d-орбиталей. Начинается период с натрия (Z=11),электронная конфигурация которого  , и заканчивается аргоном (Z=18), с электронной конфигурацией  .Натрий – аналог лития, аргон – неона. В третьем периоде, так же, как и во втором, восемь элементов, из них два первых элемента Na(Z=11) и Mg(Z=12) являются s-элементами, шесть последних (Al - Ar) – p-элементами. Хотя в третьем уровне (оболочка М) имеется подуровень 3d, который остается незаконченным, в четвертом периоде начинает формироваться следующий уровень- четвертый (оболочка N; n=4) и период начинается с s- элемента калия (Z=19). Внешний 4s - электрон придает элементу свойства, сходные со свойствами натрия. Появление электрона в 4s-состоянии при наличии свободных 3d-орбиталей обусловливается экранированием(заслонением) ядра плотным и симметричным электронным слоем. То есть энергия 4s–подуровня несколько ниже, чем энергия 3d–подуровня (см. рис. 2.4). В соответствии с правилом Клечковского, (n+ℓ) у 4s(4) ниже, чем (n+ℓ) у 3d (5). С элемента скандия (Z=21) начинается заполнение 3d-подуровня, так как он энергетически более выгоден, чем 4p-подуровень. Пять орбиталей 3d-подуровня могут быть заняты десятью электронами, что осуществляется у атомов от скандия до цинка (Z=30). Элементы от  до  относятся к d-элементам. У d - элементов 4-го периода, следовательно, достраивается слой М (третий уровень; n=3) до 18 электронов. В связи с этим важно отметить, что физические и химические свойства элементов в первую очередь определяются структурой внешнего энергетического слоя их атомов и лишь в меньшей степени зависят от строения предшествующих (внутренних) электронных слоёв. У атомов всех d-элементов внешний слой образован одним, двумя s-электронами, поэтому химические свойства d-элементов с увеличением порядкового номера изменяются не так резко, как свойства s- и p-элементов. Все d-элементы принадлежат к металлам, тогда как заполнение внешнего p-подуровня приводит к переходу от металла к типичному неметаллу и, наконец, к благородному (инертному) газу.После заполнения 3d-орбиталей у последующих шести элементов (Ga-Kr) заполняются p-орбитали внешнего слоя. Четвертый период завершается формированием подуровня 4р у криптона – [Ar]  или [Kr], являющегося аналогом аргона. Всего в четвертом периоде 18 элементов. Таким образом, четвертый период начинается двумя s-элементами и заканчивается шестью р-элементами, но в отличие от второго и третьего периодов между s- и p-элементами располагаются десять d-элементов (вставная декада большого периода; переходные элементы).В пятом периоде заполнение электронных уровней и подуровней происходит, как и в четвертом периоде, а именно: у двух первых элементов (s-элементов 37Rb и38Sr) и шести последних (р - элементов  ) заполняется внешний слой. Между s- и р - элементами располагаются десять d – элементов ( ), у которых заполняются d – орбитали предвнешнего уровня (4d - подуровень). Всего в пятом периоде 18 элементов.Шестой период содержит 32 элемента (см. приложение 1) и тоже начинается двумя s – элементами (  и  ). Далее у лантана начинает заполняться d – орбиталь предвнешнего уровня (5d - подуровень): .После чего заполнение этого подуровня приостанавливается, а начинает заполняться энергетически более выгодный 4f – подуровень (рис. 2.4), семь орбиталей которого могут быть заняты 14 электронами. Это происходит у 14 атомов элементов лантаноидов  , относящихся к f – элементам. Поскольку у этих элементов заполняется глубинный 4f – подуровень третьего снаружи уровня, они обладают близкими химическими свойствами. С гафния (Z=72) возобновляется заполнение 5d подуровня и заканчивается у ртути (Z=80), после чего электроны заполняют 6р – подуровень: шестой период, как и пятый, завершается шестью р – элементами   . В шестом периоде 32 элемента, из них: два s – элемента, шесть р – элементов, десять d – элементов и четырнадцать f – элементов.В седьмом периоде имеются два s – элемента  , за ними следуют d – элемент  и четырнадцать f – элементов - актиноидов  , далее снова d – элементы ( , элементы 106 - 110).Актиноиды, как и лантаноиды, обладают многими сходными химическими свойствами. В противоположность предыдущим, 7-й период не завершён.Изложенное показывает, что по мере роста заряда ядра происходит закономерная периодическая повторяемость сходных электронных структур элементов, а следовательно, и повторяемость их свойств, зависящих от строения электронных оболочек атомов. Периодическая система Д. И. Менделеева отражает периодический закон, является естественной классификацией химических элементов по электронной структуре их атомов. Периодический закон Д. И. Менделеева : Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. 38. Структура периодической системы: периоды, группы. Периодическая система элементов. Ряды элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно, как, например, ряд из восьми элементов от лития до неона или от натрия до аргона, Менделеев назвал периодами. Если напишем эти два периода один под другим так, чтобы под литием находился натрий, а под неоном — аргон, то получим следующее расположение элементов. При таком расположении в вертикальные столбцы попадают элементы, сходные по своим свойствам и обладающие одинаковой валентностью, например, литий и натрий, бериллий и магний и т. д. Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы Сходные по свойствам и типу образуемых соединений элементы приходились друг под другом, Менделеев составил таблицу, названную им периодической системой элементов по группам и рядам. Период - это совокупность элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов их ядер, в атомах которых электроны распределены по одному и тому же числу энергетических уровней. Число уровней, на которых распределяются электроны, равно номеру периода. Поскольку для находящихся в невозбужденном состоянии атомов известных элементов электроны заполняют энергетические уровни от первого до седьмого, периодическая система включает семь периодов. Каждый период содержит определенное число элементов, регламентируемое принципом Паули, который обуславливает конечную емкость энергетических уровней и подуровней, и правилом Клечковского, определяющим порядок заполнения уровней и подуровней электронами. Группа - это совокупность элементов с одинаковым числом валентных электронов, т.е. электронов на орбиталях высшего уровня и на недостроенных внутренних подуровнях. В периодической системе можно выделить семь групп, отвечающих приведенному выше определению, для которых номер группы совпадает с числом валентных электронов; эти группы открываются такими элементами как литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор. К первой группе по числу валентных электронов следовало бы отнести также водород, однако этот элемент, как уже отмечалось, по физическим и химическим свойствам стоит ближе к галогенам, чем к щелочным металлам. С галогенами водород сближает и то, что для построения структуры благородного газа ему не хватает одного электрона. В силу этого водород относят и I, и к VII группе. Лантаноиды и актиноиды по группам не распределяют, а выносят из системы в виде отдельной двухрядной таблицы. Особое положение в периодической системе занимает VIII группа; для элементов этой группы число валентных электронов может быть равно восьми (благородные газы, начиная с неона, железо, рутений и осмий), но может быть и больше восьми (например, у кобальта и никеля) или меньше восьми (гелий). Таким образом, VIII группа не укладывается в принятое определение группы и является таковой лишь формально. 39 Изменение свойств химических элементов в зависимости от положения в периодической системе. Экспериментальными исследованиями была установлена зависимость химических и физических свойств элементов от их положения в периодической системе. Электроотрицательность возрастает в направлении слева направо для элементов каждого периода и уменьшается в направлении сверху вниз для элементов одной и той же группы ПС. Атомы и ионы не имеют строго определенных границ вследствие волновой природы электронов. Поэтому определяют условные радиусы атомов и ионов, связанных друг с другом химической связью в кристаллах. Радиусы атомов металлов в периодах с ростом порядкового номера элементов уменьшаются, т.к. при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а, следовательно, и притяжение им электронов. В пределах каждой группы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, т.к. возрастает число энергетических уровней. Радиусы ионов также находятся в периодической зависимости от порядкового номера элемента. По периоду справа налево увеличиваются неметаллические свойства атомов, за счет увеличения заряда ядра атома и трудности отдачи электронов. По подгруппе сверху вниз увеличиваются металлические свойства, т. к. ослабевает связь внешних электронов с ядром. По периоду справа налево увеличивается высшая степень окисления, равная номеру группы, поэтому увеличиваются неметаллические и кислотные свойства. По подгруппе сверху вниз увеличиваются металлические и основные свойства, т.к. увеличивается размер атома и связь с соседним атомом ослабляется. 40. Определение и природа химической связи. Типы химической связи в зависимости от распределения электронной плотности. Химической связью называют взаимодействие между атомами, приводящее к образованию молекул или ионов и прочному удерживанию атомов друг около друга. Химическая связь имеет электронную природу, т. е. осуществляется за счёт взаимодействия валентных электронов. В зависимости от распределения валентных электронов в молекуле, различают следующие виды связей: ионная, ковалентная, металлическая и др. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной связи между атомами, резко отличающимися по природе. ТИПЫ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ Ионная связь. Основные положения современной теории ионной связи. Ионная связь образуется при взаимодействии элементов, резко отличающихся друг от друга по свойствам, т. е. между металлами и неметаллами. Образование химической связи объясняется стремлением атомов к достижению устойчивой восьмиэлектронной внешней оболочки (s2p6). Образовавшиеся разноименно заряженные ионы удерживаются друг около друга за счёт электростатического притяжения. Ионная связь не направленная. Чисто ионной связи не существует. Так как энергия ионизации больше энергии сродства к электрону, то полного перехода электронов не происходит даже в случае пары атомов с большой разницей электроотрицательностей. Поэтому можно говорить о доле ионности связи. Наибольшая ионность связи имеет место во фторидах и хлоридах s-элементов. Так, в кристаллахRbCl,KCl,NaClиNaFона равна 99, 98, 90 и 97% соответственно. Ковалентная связь. МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ. В основе метода ВС лежат следующие положения: 1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам. Комбинации таких двухэлектронных двухцентровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем. 2. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака. Для наглядного изображения валентных схем обычно пользуются следующим способом: электроны, находящиеся во внешнем электронном слое обозначают точками, располагаемыми вокруг химического символа атома. Общие для двух атомов электроны показывают точками, помещаемыми между их химическими символами; двойная или тройная связь обозначается соответственно двумя или тремя парами общих точек: По способу перекрывания электронных облаков, связи бывают двух видов: - связь и - связь. - связь возникает при перекрывании двух электронных облаков по оси, соединяющей ядра атомов. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ. 1. Длина связи, ℓ. Это минимальное расстояние между ядрами взаимодействующих атомов, которое соответствует наиболее устойчивому состоянию системы. 2. Энергия связи, Emin– это то количество энергии, которое необходимо затратить для разрыва химической связи и для удаления атомов за пределы взаимодействия. 3. Дипольный момент связи,  ,=qℓ. Дипольный момент служит количественной мерой полярности молекулы. Для неполярных молекул дипольный момент равен 0, для неполярных не равен 0. Дипольный момент многоатомной молекулы равен векторной сумме диполей отдельных связей:Ковалентная связь характеризуется направленностью. Направленность ковалентной связи определяется необходимостью максимального перекрывания в пространстве электронных облаков взаимодействующих атомов, которые приводят к образованию наиболее прочных связей. Так как эти -связи строго ориентированы в пространстве, в зависимости от состава молекулы они могут находиться под определенным углом друг к другу – такой угол называется валентным. Металлическая связь В атомах металлов внешние валентные электроны удерживаются значительно слабее, чем в атомах неметаллов. Это обуславливает потерю связи электронов с отдельными атомами на достаточно большой промежуток времени и их обобществление. Образуется обобществленный ансамбль из внешних электронов. Существование подобной электронной системы приводит к возникновению сил, которые удерживают положительные ионы металла в сближенном состоянии, несмотря на их одноименную заряженность. Такая связь называется металлической. Подобная связь характерна только для металла и существует в твердом и жидком состоянии вещества. Водородная связь Между молекулами, валентно-насыщенными, на расстояниях, превышающих размеры частиц, могут проявляться электростатические силы межмолекулярного притяжения. Их называют силы Ван-дер-Ваальса. Вандерваальсово взаимодействие всегда существует между близко расположенными атомами, но играет важную роль лишь в отсутствие более сильных механизмов связи. Это слабое взаимодействие с характерной энергией 0,2 эВ/атом имеет место между нейтральными атомами и между молекулами. Название взаимодействия связывается с именем Ван-дер-Ваальса, поскольку именно он впервые предположил, что уравнение состояния с учетом слабого взаимодействия между молекулами газа описывает свойства реальных газов много лучше, чем уравнение состояния идеального газа. Однако природа этой силы притяжения была объяснена лишь в 1930 году Лондоном. В настоящее время к Ван-дер-Ваальсову притяжению относят следующие три типа взаимодействий: ориентационное, индукционное, дисперсион-ное(эффект Лондона). Энергия Ван-дер-Ваальсова притяжения определяется суммой ориентационного, индукционного и дисперсионного взаимодействий. 41. Параметры химической связи: энергия связи, длина связи, валентный угол, кратность связи. Химическая связь обусловлена взаимодействием электронов внешних электронных оболочек атомов. Те энергией химической связи.орбитали, которые принимают участие в образовании химической связи, называются валентными орбиталями, а находящиеся на нах электроны – валентными электронами. При образовании химической связи изменяются свойства взаимодействующих атомов и, прежде всего, энергия и заполненность их внешних орбиталей. При образовании химической связи суммарная энергия электронов на валентных орбиталях меньше, чем их энергия в свободных атомах. Эта разница в энергиях называется Типичная величина энергии химической связи – это сотни кДж/моль. Важной количественной характеристикой химической связи является ее длина. Длина связи – это расстояние между ядрами химически связанных атомов в стабильном состоянии молекулы. Типичная длина химической связи – это десятые доли нанометра.1 Если в образовании молекулы при взаимодействии с данным атомом принимают участие два и более других атомов, то возникает вопрос о её геометрической структуре или химическом строении. Основы теории химического строения молекул положил А.М.Бутлеров 2 Одной из важнейших количественных характеристик строения сложных молекул является валентный угол - угол, образованный двумя направлениями химических связей, исходящими из одного атома. Расстояние между атомами существенно уменьшается при образовании кратных связей. Чем выше кратность связи, тем короче межатомное расстояние. Совокупность длин связей и валентных углов в химической частице определяет ее пространственное строение. Для определения валентных углов используют экспериментальные методы изучения структуры химических соединений. Оценить значения валентных углов можно теоретически, исходя из электронного строения химической частицы. Чем выше энергия химической связи, тем прочнее связь. Связь считается прочной, или сильной, если ее энергия превышает 500 кДж/моль (например, 942 кДж/моль для N2), слабой - если ее энергия меньше 100 кДж/моль (например, 69 кДж/моль для NO2). Если при взаимодействии атомов выделяется энергия менее 15 кДж/моль, то считают, что химическая связь не образуется, а наблюдается межмолекулярное взаимодействие (например, 2 кДж/моль для Xe2). Прочность связи обычно уменьшается с увеличением ее длины. Энергия связи - это работа, необходимая для разрыва химической связи во всех молекулах, составляющих один моль вещества. Чаще всего энергию связи измеряют в кДж/моль. Наиболее прочными являются ионные и ковалентные связи, энергии этих связей составляют величины от десятков до сотен кДж/моль. 42. Ковалентная связь: определение, механизмы образования. Виды связи в зависимости от взаимного перекрывания электронных облаков. Ковалентная связь образуется в результате перекрывания электронных облаков атомов, сопровождающегося выделением энергии. Если у сблизившихся до касания атомов водорода расстояние между ядрами составляет 0,106 нм, то после перекрывания электронных облаков (образования молекулы Н2) это расстояние составляет 0,074 нм. Наибольшее перекрывание электронных облаков осуществляется вдоль линии, соединяющей ядра двух атомов (это происходит при образовании σ–связи). Химическая связь тем прочнее, чем больше перекрывание электронных орбиталей. В результате возникновения химической связи между двумя атомами водорода каждый из них достигает электронной конфигурации атома благородного газа гелия. Изображать химические связи принято по-разному: 1) с помощью электронов в виде точек, поставленных у химического знака элемента. Тогда образование молекулы водорода можно показать схемой H∙ + H∙ →H:H 2) часто, особенно в органической химии, ковалентную связь изображают черточкой (штрихом) (например, Н—Н), которая символизирует общую пару электронов. Ковалентная связь в молекуле хлора также осуществляется с помощью двух общих электронов, или электронной пары: Неподеленная пара электронов, в атоме их 3 ↓  ← Неподеленная пара электронов,↑ ↑ в молекуле их 6. неспаренный электрон общая или поделенная пара электронов Как видно, каждый атом хлора имеет три неподеленные пары и один неспаренный электрон. Образование химической связи происходит за счет неспаренных электронов каждого атома. Неспаренные электроны связываются в общую пару электронов, называемую также поделенной парой. Если между атомами возникла одна ковалентная связь (одна общая электронная пара), то она называется одинарной; если больше, то кратной двойной (две общие электронные пары), тройной (три общие электронные пары). 43. Локализованные и делокализованные п-связи. Делокализованная связь - связь, электронная пара которой рассредоточена между несколькими (более 2) ядрами атомов (подобие металлической связи). Ковалентная связь может быть локализованной и делокализованной. Локализованной называют связь, электроны которой фактически поделены между двумя ядрами связываемых атомов. Если электроны связи поделены более чем между двумя ядрами, то говорят о делокализованной связи. Делокализованная связь - это ковалентная связь, молекулярная орбиталь которой охватывает более двух атомов. Делокализованные связи в большинстве случаев являются π-связями. Они характерны для сопряженных систем. В этих системах осуществляется особый вид взаимного влияния атомов - сопряжение. Химическая связь, образуемая подвижными электронами, называется делокализованной. Такая связь имеется в молекуле HNO3, ионах CO32–, SO42–, PO43–, во многих органических соединениях. Классическим примером молекул с делокализованными связями является молекула бензола С6Н6. Химическую связь, принадлежит только двум связанным атомам, т.е. электронная пара локализована. 44. Определение формы молекул по методу Гиллеспи. Метод Гиллеспи получил название как теория отталкивания валентных электронных пар(ОВЭП): геометрическая форма молекулы или иона определяется отталкиванием электронных пар, окружающих центральный атом. В результате электронные пары удерживаются по возможности дальше друг от друга, сохраняя определенное расстояние от ядра. Четкой границы между ионной и ковалентной связями не существует (см. рисунок 1).
Алгоритм определения геометрии частицы по методу Гиллеспи следующий (рассмотрим на примере SО2): 1. Исходя из электронных конфигураций атомов (S [Ne]3s23р4, О [He]2s22p4) определить их ковалентность: 2, 4 или 6 для S и 2 для О. 2. Из значений ковалентностей построить структурную формулу, т. е. определить строение частицы: число и расположение s- и p‑связей. В данном случае при ковалентности О, равной только двум, возможен единственный вариант: сера является центральным атомом, кислороды – концевые, связанные с S двойными s- и p-связями: О=S=О. 3. Определить число неподеленных пар центрального атома (число НП заместителей на геометрию не влияет). Всего валентных электронов у S 6, из них 4 участвуют в четырех связях, остается 2 – одна НП. Молекула типа АХ2Е1. 4. Найти стерическое число (СЧ = 2 + 1 = 3) и задаваемое им расположение ЭП: по вершинам правильного треугольника, под Ð120°. 5. Расположить НП так, чтобы отталкивание НП-НП и НП-СП было минимальным, и определить таким образом геометрию частицы. В данном случае имеется единственный вариант, так как все вершины правильного треугольника (как и тетраэдра и октаэдра) эквивалентны. Следовательно, молекула SО2 – угловая, валентный ÐОSО = 120°. 45. Описание химической связи по методу валентных связей (ВС). Метод валентных связей (МВС) иначе называют теорией локализованных электронных пар, поскольку в основе метода лежит предположение, что химическая связь между двумя атомами осуществляется с помощью одной или нескольких электронных пар, которые локализованы преимущественно между ними. В отличие от ММО, в котором простейшая химическая связь может быть как двух-, так и многоцентровой, в МВС она всегда двухэлектронная и обязательно двухцентровая. Число элементарных химических связей, которые способен образовывать атом или ион, равно его валентности. Так же, как и в ММО, в образовании химической связи принимают участие валентные электроны. Волновая функция, описывающая состояние электронов, образующих связь, называется локализованной орбиталью (ЛО). Отметим, что электроны, описываемые ЛО, в соответствии с принципом Паули должны иметь противоположно направленные спины, то есть в МВС все спины спарены, и все молекулы должны быть диамагнитны. Следовательно, МВС принципиально не может объяснить магнитные свойства молекул. Тем не менее, принцип локализованных связей имеет ряд важных преимуществ, одно из которых – его чрезвычайная наглядность. МВС достаточно хорошо, например, предсказывает валентные возможности атомов и геометрию образующейся молекулы. Последнее обстоятельство связано с так называемой гибридизацией АО. Она была введена для объяснения того факта, что двухэлектронные двухцентровые химические связи, образованные за счет АО в разных энергетических состояниях, имеют одинаковую энергию. Так, Be*(2s11p1), B*(2s12p2), C*(2s12p3) образуют за счет s- и p-орбиталей соответственно две, три и четыре связи, а потому одна из них должна быть прочнее других. Однако опыт показывает, что в BeH2, BCl3, CH4 все связи равноценны. У BeH2 угол связи равен 180°, у BCl3 – 120°, а у CH4 – 109°28'. Основные положения теории следующие: Введение гибридных орбиталей служит для описания направленных локализованных связей. Гибридные орбитали обеспечивают максимальное перекрывание АО в направлении локализованных σ-связей. Число гибридных орбиталей равно числу АО, участвующих в гибридизации. Гибридизуются близкие по энергии валентные АО независимо от того, заполнены они в атоме полностью, наполовину или пусты. В гибридизации участвуют АО, имеющие общие признаки симметрии. Образование ковалентной связи можно рассматривать в рамках двух методов квантовой химии: метода валентных связей и метода молекулярных орбиталей. В основе метода ВС лежат следующие положения: 1) Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам. 2) Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются электронные облака. 46. Гибридизация. Типы гибридизации. Влияние не связывающей электронной пары центрального атома на строение молекул. Гибридизацией называется гипотетический процесс смешения различного типа, но близких по энергии орбиталей данного атома с возникновением того же числа новых (гибридных1) орбиталей, одинаковых по энергии и форме. Гибридизация атомных орбиталей происходит при образовании ковалентных связей. Гибридные орбитали имеют форму объёмной несимметричной восьмёрки, сильно вытянутой в одну сторону от атомного ядра: Такая форма обусловливает более сильное, чем в случае чистых атомных орбиталей, перекрывание гибридных орбиталей с орбиталями (чистых или гибридных) других атомов и приводит к образованию более прочных ковалентных связей. Поэтому энергия, затрачиваемая на гибридизацию атомных орбиталей, с избытком компенсируется выделением энергии за счёт образования более прочных ковалентных связей с участием гибридных орбиталей. Название гибридных орбиталей и тип гибридизации определяются числом и типом участвующих в гибридизации атомных орбиталей, например: sp-, sp2-, sp3-, sp2d- или sp3d2-гибридизация. Направленность гибридных орбиталей, а следовательно, и геометрия молекулы зависят от типа гибридизации sр2-Гибридизация. Рассмотрим гибридизацию одной s- и двух р-орбиталей. В этом случае в результате линейной комбинации трёх орбиталей возникают три гибридные sр2-орбитали. Они располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу (рис. 9). sр2-Гибридизация характерна для многих соединений бора, который, как показано выше, в возбуждённом состоянии имеет три неспаренных электрона: один s- и два р-электрона. sр3-Гибридизация. Очень большое распространение имеют вещества, в молекулах которых центральный атом содержит четыре sр3-орбитали, образующиеся в результате линейной комбинации одной s- и трёх р-орбиталей. Эти орбитали располагаются под углом 109˚28′ друг к другу и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атомное ядро 47.Ионная связь: определение, основные свойства. Ионная связь – это химическая связь, которая возникает между ионами под действием электростатического притяжения. Ионная связь объясняется следующим образом: атом - типичный металл - теряет свой валентный электрон, превращаясь в катион. Атом – типичный неметалл - принимает электрон, превращаясь в анион. Na0 –  = Na+ (катион) Cl0 +  = Cl-- (анион) Ионная связь является максимально полярной. Она образуется атомами тех элементов, которые имеют максимально различные электроотрицательности, т. е. ионная связь образуется щелочными и щелочно-земельными металлами и галогенами:KF; CaCl2; NaI. Ионная связь имеет два основных свойства: · ненаправленность, · ненасыщаемость. Ионной связи характерны ненасыщаемость – каждый ион, взаимодействуя с противоположным во всех направлениях, не компенсирует силовые поля, и ненаправленность – любой ион в любом направлении способен притягивать к себе ион противоположного заряда. В результате этих свойств ионные соединения представляют собой твердые тела с ионной кристаллической решеткой. 100 %-ной ионной связи не существует. Существует степень или доля ионности связи – в соединении СsF ионная связь имеет долю 89 %. 48. Поляризация и поляризуемость химической связи. Поляризуемость связи. Для характеристики реакционной способности молекул важно знать не только исходное распределение электронной плотности, но и ееполяризуемость. Последняя характеризует способность становиться полярной (или более полярной) в результате действия на молекулу внешнего электрического поля. Так как с каждым атомом или молекулой, в свою очередь, связано электрическое поле, то соединение должно поляризоваться также и при действии на молекулу других молекул, скажем, партнера по реакции. В результате поляризации может произойти полный разрыв связи с переходом связывающей электронной пары к одному из атомов и образованием отрицательного и положительного ионов. Асимметричный разрыв связи с образованием разноименных ионов называется гетеролитическим: гомолитический разрыв гетеролитический разрыв (диссоциация) (ионизация) Гетеролитический разрыв отличается от разрушения связи при распаде молекулы на атом и радикал. В последнем случае разрушается связывающая электронная пара, и процесс называется гомолитическим. В соответствии со сказанным следует различать процесс диссоциации и процесс ионизации; в случае HCl первый наблюдается при термическом распаде на атомы, второй – при распаде на ионы в растворе. Поляризация химической связи — асимметрия (смещение) электронной плотности, связывающей молекулярной орбитали ковалентной связи. Если атомы, образующие ковалентную связь, одинаковы и несут одинаковые или близкие по электроотрицательности заместители, распределение электронной плоскости симметрично относительно плоскости, перпендикулярной связи и пересекающей связь на равных расстояниях от атомов; такие связи называют неполярными. В случае, когда атомы, образующие ковалентную связь различны (C-F, O-H) или несут различные заместители (H3C-CN, H3CC-CF3), электронная плотность смещается в сторону более электроотрицательного атома; такие связи называются поляризованными (полярная связь). Полярная связь — химическая связь, обладающая постоянным электрическим дипольным моментом вследствие несовпадения центров тяжести отрицательного заряда электронов и положительного заряда ядер. Большинство ковалентных связей являются полярными. Молекулы с полярной связью обычно гораздо более реакционноспособны, чем неполярные молекулы. Полярность связи не следует отождествлять с полярностью молекул, которая зависит также от геометрического расположения атомов в молекуле. Поляризация связей вносит существенный вклад в электрический дипольный момент молекулы. 49. Электроотрицательность. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Такие свойства атомов, как их размер, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, связаны с электронной конфигурацией атома. В их изменении с увеличением порядкового номера элемента наблюдается периодичность. Радиус атома– важная характеристика. Чем больше атомный радиус, тем слабее удерживаются внешние электроны. И наоборот, с уменьшением атомного радиуса электроны притягиваются к ядру сильнее. В периоде атомный радиус в общем уменьшается слева направо. Это объясняется ростом силы притяжения электронов с ростом заряда ядра. В подгруппах сверху вниз атомный радиус возрастает, так как в результате прибавления дополнительного электронного слоя увеличивается объем атома, а значит, и его радиус. Энергия ионизации– это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома. При отрыве электрона от атома образуется соответствующий катион. Энергия ионизации для элементов одного периода возрастает слева направо с возрастанием заряда ядра. В подгруппе она уменьшается сверху вниз вследствие увеличения расстояния электрона от ядра. Атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. При этом образуется соответствующий анион. Энергия, которая выделяется при присоединение к атому одного электрона, называется сродством к электрону. Сродство к электрону выражается в кДж/моль или эВ/моль. Для элементов главных подгрупп сродство к электрону возрастает в периодах слева направо и уменьшается в группах сверху вниз. Максимальное значение сродства к электрону имеет фтор. Определение электроотрицательности дал американский ученый Л. Полинг. Он же предложил и первую шкалу электроотрицательности. Согласно Полингу, Электроотрицательность есть способность атома в соединении притягивать к себе электроны. 50. Шкала электроотрицательности по Полингу. Дипольный момент молекулы. Электроотрицательность – это свойство атома, соединенного ковалентной связью с другим атомом. Если в связи А–В электронное облако смещено в сторону А, то А более электроотрицателен, чем В. Наибольшая электроотрицательность присуща атомам, расположенным в правом верхнем углу, наименьшая – в нижнем левом углу периодической системы. Таким образом, электроотрицательность растет слева направо по периодам и снизу вверх в группах. В пределах главного периода она пропорциональна эффективному заряду ядра (для 2-го периода: С F). Внутри группы она тем больше, чем меньше степень экранирования ядер электронами:FClBrI. Сравнение значений ЭО атомов, образующих связь, позволяет оценить степень её полярности. Если атомы, образующие ковалентную связь равноценны, то общая электронная пара равномерно распределена между ними. Характеристикой полярности связи служит её электрический дипольный момент (μ). Он равен произведению заряда на длину диполя μ═qr, измеряется в Дебаях (D). Один Дебай равен 3,34·10-30 Кл·м. Дипольный момент – величина векторная, имеет направление от положительного к отрицательному заряду и изображается стрелкой над связью. Величину дипольного момента связи можно непосредственно измерить только для двухатомных молекул. Для многоатомной молекулы можно определить лишь суммарный дипольный момент. Он является векторной суммой дипольных моментов её химических связей и неподелённых электронных пар и зависит от геометрической формы частицы. В симметрично построенных молекулах, таких как СО2, дипольный момент молекулы равен нулю. Несмотря на значительную полярность связей (2,4 D), их вектора направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга. Наряду с дипольными моментами для оценки степени ионности (полярности) связи используют и другую распространенную характеристику, называемую электроотрицательностью. Электроотрицательность (ЭО) не может быть измерена и выражена в единицах каких-либо физических величин, поэтому для количественного определения ЭО предложены несколько шкал, наибольшее признание и распространение из которых получила шкала относительных ЭО, разработанная Л. Полингом. По шкале Полинга ЭО фтора (наиболее электроотрицательного из всех элементов) условно принята равной 4,0;на втором месте находится кислород, на третьем — азот и хлор. Водород и типичные неметаллы находятся в центре шкалы; значения их ЭО близки к 2. Большинство металлов имеют значения ЭО, приблизительно равные 1,7 или меньше. ЭО является безразмерной величиной. Шкала ЭО Полинга в общих чертах напоминает периодическую систему элементов. Эта шкала позволяет дать оценку степени ионностй (полярности) связи. Для этого используют зависимость между разностью ЭО и степенью ионности связи. Чем больше разность ЭО, тем больше степень ионности. Разность ЭО, равная 1,7, соответствует 50%-ному ионному характеру связей, поэтому связи с разностью ЭО больше 1,7 могут считаться ионными, связи с меньшей разностью относят к ковалентным полярным. Такое деление, очевидно, довольно условно. 51. Система Т-Ж: классификация. Растворы с жидкой дисперсионной средой. Классификация дисперсных систем
Классификация по агрегатному состоянию. Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среди и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы "газ в жидкости" принято обозначение Г/Ж. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
