Металлическая связь
Металлы существуют в разных цветах: чёрные (железо), красные (медь), жёлтые (золото), серые (серебро), плавятся при разных температурах. Однако их всех объединяет наличие блеска, твёрдости, электропроводимости.
Металлическая связь имеет черты сходства с ковалентной неполярной. Металлы бедны электронами на внешнем уровне, поэтому при образовании связи, они не способны притягивать на себя их, для них свойственна отдача. Так как атомный радиус в металлах большой, это даёт возможность легко оторваться электронам, образовав катионы.
Me — ne = Men+
Электроны постоянно перемещаются от атома к иону и наоборот. Сами катионы можно сравнить с айсбергами, окружёнными отрицательными частицами.
Схема металлической связи
Как определить количество элементарных частиц
Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.
Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:
В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.
Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:
| Порядковый номер элемента = число протонов в ядре = заряд ядра атома = число электронов в атоме(№ элемента = p = Z = ē)Число нейтронов = массовое число – порядковый номер(n = Ar — № элемента) |
Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:
- Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
- На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
- Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
- Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
- Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.
На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.
Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.
Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.
Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.
“Грустный” и “веселый” атом
При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.
Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.
Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.
Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:
| 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → … |
Из чего состоит молекула?
Как здание состоит из кирпичиков, а любой механизм, сделанный человеком – из деталей, так и молекула состоит из простых «кирпичиков» – атомов химических элементов. 
Некоторые молекулы состоят всего из одного атома – например, молекулы металлов. Но подавляющее большинство веществ, которые нас окружают, имеют гораздо более сложное молекулярное строение.
Строение любой молекулы можно записать в виде химической формулы, которая указывает, из атомов каких химических элементов состоит вещество и сколько атомов каждого вещества содержится в одной молекуле. Молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов элемента кислорода.
Всем известна формула воды: H2O, которая означает, что каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Еще одна известная буквально всем формула – С2Н5ОН, формула этилового спирта, которая показывает, что это вещество состоит из двух атомов углерода (С), шести атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О).
В процессе взаимодействия друг с другом вещества обмениваются химическими элементами, вступая в реакции. При этом образуются новые вещества, обладающие новыми свойствами, отличными от свойств исходных веществ.
Так, уголь (практически полностью состоящий из углерода), сгорая (взаимодействуя с кислородом, содержащимся в воздухе), образует углекислый газ – вещество, непригодное для дыхания, в отличие от кислорода. 
Молекулы в обычном состоянии не несут электрического заряда и называются нейтральными. Те молекулы, которые получают положительный или отрицательный заряд, называются ионами, а процесс – ионизацией. Молекулы, атомы которых имеют неспаренные электроны, называются радикалами.
Описание атома
Основной способ показать его строение – использовать модель атома Резерфорда. Согласно теории, в центре атома располагается ядро, которое окружено электронным облаком. Ядро включает в себя два класса элементарных частиц: протона и нейтрона. Электронное облако представлено электронами.
Нейтрон – тяжелая частица, которая не имеет заряда и располагается в ядре, Протон обладает положительным зарядом. Он – одна из основных элементарных частиц. Электрон участвует в формировании электронного облака с отрицательным зарядом. Атом не имеет какого-либо заряда, благодаря одинаковому числу электронов и протонов в составе.
Размер атома не имеет четкой границы. Это связано с тем, что они постоянно взаимодействуют друг с другом, размывая ее. Известно, что размер атома зависит от положения элемента в периодической системе – чем он ближе к началу периодической системы Менделеева, тем меньше.
Ядро составляет 99,9% массы атома. Оно состоит из двух типов частиц – протоны (положительные заряды) и нейтроны (незаряженные частицы). Они соединяются сильным взаимодействием. Число протонов в атоме можно узнать по Периодической системе Д.И. Менделеева – оно соответствует порядковому номеру элемента в таблице. Для определения числа нейтронов из массового числа элемента вычитают количество протонов.
Электронная оболочка сформирована орбитами электронов. Орбиталь – это место, где с наибольшей вероятностью располагаются электроны атома. Ее описывают математически. Орбиталь может быть сферической (s-облако) или гантелеобразной (p-облако) — это зависит от числа электронов.
Изотопы
Изотопы – это разновидности атома, которые имеют одинаковое число протонов и электронов, но отличаются количеством нейтронов. Они имеются у каждого элемента. Например, углерод представлен тремя изотопами с массой 12, 13 и 14. Химические свойства остаются прежними.
Об электронах
Для того, чтобы узнать сколько электронов в конкретном атоме, надо узнать его порядковый номер в таблице Менделеева. Например, атом фосфора занимает 15 положение. Поэтому, его число электронов – 15.
Сравнение
После приведенных определений можно приступить к сравнению элементарных структурных единиц вещества. Атом является наименьшей ее составляющей. Он имеет собственную массу и размер. Основная задача – определение, какими свойствами будет обладать то или иное химическое вещество.
Нужно учитывать, что атом не является конечным элементом. Он в свою очередь делится на ядро и электроны, которые совершают движение по орбите, расположенной вокруг ядра. Подобное строение и определяет, какими свойствами будет обладать то или иное вещество. Особенностью атома является то, что его невозможно увидеть вне компонента, в свободном состоянии. Все атомы имеют тесные связи между собой, которые и образуют молекулу. Происходит это благодаря электрическим зарядам частиц, из которых состоят атомы.
Молекула — это единица, составляющая вещество. В состав молекул входят атомы. Разное их количество определяет свойства. Атомы внутри молекулы имеют межатомные связи. Каждая молекула состоит из атомных ядер и внутренних электронов. Они совершают движение по своим орбитам. В состав входят также внешние валентные электроны. В разных молекулах находится разное количество атомов. Это свойство и определяет разнообразие химических веществ и компонентов. Молекула имеет сложную архитектурную постройку. Так у каждого атома свое место внутри молекулы. Количеством атомов в ней определяются свойства – химические реакции и превращения. Имеющиеся свойства влияет порядок и конфигурация соединения всех атомов. Атомная постройка, которая образует молекулу, может быть жесткой. Также бывают и исключения. Особенность мельчайшей единицы – постоянное движение. Атомы никогда не останавливаются, они продолжают колебание на положенном ему месте в молекуле, чтобы удержать равновесие.
Нужно учитывать также, что любая свободная молекула в процессе своего теплового движения имеет различные конфигурации. Молекула по электрическому заряду относится к нейтральным частицам. Если молекула образована одним атомом, то их свойства совпадают. Пример подобных молекул – инертные газы. Если атомов несколько, то они объединены связями. Они могут создаваться одной или несколькими парами электронов, которыми владеют два атома одновременно . Молекула обладает возможностью к самостоятельному существованию. Атом такой способностью не наделен.
Энергия для процесса
Вода не является хорошим проводником, хотя она, безусловно, позволит протекать через нее электрическому току, поэтому опасно эксплуатировать электроприбор вблизи воды.
Соль при расплавлении становится хорошим проводником, но этого можно добиться и растворением ее в воде.
На примере поваренной соли видно что такое ионизация. Однако это один из видов ионизации, который может быть определен как процесс, в котором один или несколько электронов удаляются из атома или молекулы, чтобы создать ион, или процесс, в котором ионное твердое вещество, такое как соль, диссоциирует на его компонентные ионы при растворении в растворе.
Когда атом находится на своем нормальном энергетическом уровне, говорят, что он находится в основном состоянии. В этот момент электроны занимают свои нормальные орбитальные структуры. Между электроном и положительно заряженным ядром, в котором находятся протоны, всегда существует высокая степень притяжения. Энергия, необходимая для перехода электрона на более высокую орбиталь увеличивает общую энергию атома, который находится в возбужденном состоянии.
Возбужденное состояние атома — это просто шаг на пути к его ионизации путем удаления электрона. «Шаг» является подходящей метафорой, потому что электроны не просто дрейфуют вдоль континуума от одного энергетического уровня к другому, как человек поднимается по лестнице. Они делают дискретные шаги, как человек взбирается по лестнице или трапу. Это один из ключевых принципов квантовой механики, передовой области физики, которая также имеет многочисленные приложения к химии. Подобно тому, как говорится о внезапном изменении как о «квантовом скачке», электроны совершают квантовые скачки с одного энергетического уровня на другой.
Из-за высокого притяжения между электроном и ядром первый удаляемый электрон находится на самой внешней орбите. Это количество энергии называется первой энергией ионизации. Удалить второй электрон будет значительно сложнее, так как теперь атом является катионом, а положительный заряд протонов в ядре больше отрицательного заряда электронов. Следовательно, энергия, необходимая для удаления второго электрона намного выше, чем первая.
Характеристики ковалентной связи
К ковалентным связям применимы те же общие закономерности, что и для других типов. Например, чем меньше длина ковалентной связи, тем она прочнее. Но есть и специфические свойства, которые появляются только при этом виде взаимодействия:
-
насыщаемость,
-
полярность,
-
направленность.
Насыщаемость ковалентной связи
Насыщаемость говорит об ограничениях по количеству взаимодействий, в которые может вступать один атом. Таких взаимодействий, т. е. химических связей, может быть ровно столько, сколько у атома неспаренных электронов. Как мы помним из примеров выше, у водорода один валентный электрон, поэтому он может образовать только одинарную ковалентную связь.
Важно!
Количество свободных электронов может увеличиться, если атом перейдет в возбужденное состояние. В этом случае происходит распаривание электронов и перемещение их на свободные орбитали более высоких подуровней внешнего уровня
Эти распаренные электроны также способны вступать в химические связи.
Полярность ковалентной связи
Полярность связи — это смещение электронной плотности к одному из атомов. Чем больше выражено такое смещение, тем более полярной является связь. Напомним, что электронная плотность смещается всегда в сторону более электроотрицательного элемента. Следовательно, большая разница в ЭО между атомами обуславливает высокую полярность связи.
Атом, к которому смещается общая пара электронов, заряжается отрицательно. Данный заряд обозначают буквой δ-. Второй атом заряжается положительно, и этот заряд обозначают буквой δ+. Очень часто центры положительного и отрицательного зарядов разделяет некоторое расстояние. Молекулы с таким устройством называют диполями (поскольку они имеют два полюса)
Важно!
Логично предположить, что ковалентная полярная химическая связь всегда ведет к образованию диполей. Но это не так
В одной молекуле часто присутствует несколько типов связи, и если один из них вызывает смещение электронной пары, то другой может это компенсировать. В таком случае получится неполярная молекула (например,
CO2)
Смещение электронной плотности в сторону одного из атомов, связанных ковалентной полярной связью, в структурной формуле можно обозначить стрелкой или дугой. Стрелка используется, если перекрываемые орбитали атомов находятся на одной оси, а дуга — если они расположены под углом.
Направленность ковалентной связи
Ковалентная связь становится направленной, если в ней участвуют атомы, чьи орбитали (электронные облака) находятся под определенным углом друг к другу. Если провести воображаемые линии между связанными атомами, можно увидеть этот угол — он называется валентным. По значениям валентных углов легко определить строение молекулы вещества, ее геометрическую форму.
В зависимости от взаимного расположения орбиталей выделяют:
-
σ-связи, которые образуются, если перекрывание орбиталей идет по оси, соединяющей ядра атомов (т. е. линейно);
-
π-связи, которые предполагают боковое перекрывание (электронные облака находятся под углом друг к другу).
Как понятно из этих определений, два атома могут иметь только одну σ-связь, а в дополнение к этому они могут быть связаны с другими атомами π-связями.
Что такое молекула в химии
Для химической дисциплины изучение молекул играет одну из самых важных ролей. Благодаря химическим исследованиям была получена важнейшая информация о составе и характеристиках этой крошечной единицы материи.
Молекула является:
- наименьшей частью одного вещества;
- наименьшим электрически нейтральным множеством атомов, которые образуют определенную структуру посредством химических связей;
- может представлять собой один, несколько или множество, как одинаковых, так и разнообразных атомов.
Когда молекулы проходят через химические превращения, они обмениваются атомами и распадаются. Именно поэтому знания о строении и состоянии данных частиц являются основой для изучения химии веществ и их преобразования.
Основываясь на имеющихся знаниях о происходящих химических реакциях, мы имеем возможность прогнозировать структуру молекул задействованных в них веществ. Верен и обратный вывод: на основании знаний о структуре молекулы вещества вполне реально прогнозировать его поведенческие характеристики в ходе химической реакции.
Масса (размер) молекулы
В соответствии с количеством ядер атомов могут быть выделены двух-, трехатомные и т.д. молекулы.
Mr — Относительная молекулярная (атомная) масса вещества — отношение массы молекул (или атомов) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.
М — молярная масса — масса вещества, взятого в количестве одного моля.
M = Mr * 10-3 кг/моль
В случае большого количества атомов молекулу называют макромолекулой.
При сложении масс атомов, из которых состоит частица, определяется молекулярная масса. В зависимости от размера молекулярной массы, все химические вещества разделяются на низко- и высокомолекулярные.
«Атомы, молекулы и ионы»
Ключевые слова конспекта: Атомно-молекулярное учение, атомы, молекулы и ионы, элементарные частицы, ядро, электрон, протон, нейтрон.
Древнегреческий философ Демокрит 2500 лет назад предположил, что все тела состоят из мельчайших, невидимых, неделимых, вечно движущихся частиц — атомов. В переводе «атом» означает «неделимый».
Учение о молекулах и атомах в основном было разработано в XVIII— XIX вв. Великий русский учёный М. В. Ломоносов утверждал, что тела в природе состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ учёный объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным расположением атомов в них.
Основоположником атомно-молекулярного учения принято считать известного английского учёного Джона Дальтона. Тем не менее некоторые представления об атомах и молекулах, высказанные Ломоносовым за полвека до Дальтона, оказались более достоверными, научными. Например, английский учёный отрицал возможность существования молекул, образованных одинаковыми атомами.
Атомно-молекулярное учение получило окончательное признание только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлсруэ.
Молекулы
Каждое отдельно взятое вещество состоит из одинаковых молекул. Например, вещество вода состоит из молекул воды. Но размеры молекул воды очень малы, поэтому даже маленькая капелька воды содержит огромное количество молекул, которые имеют одинаковые состав и свойства.
Молекулы — это мельчайшие частицы многих веществ, состав и химические свойства которых такие же, как у данного вещества. При химических реакциях молекулы распадаются, то есть они являются химически делимыми частицами. Молекулы состоят из атомов.
Атомы
Следует иметь в виду, что существуют также вещества, состоящие из отдельных одинаковых атомов. Мельчайшими частицами, сохраняющими характерные химические свойства таких веществ, являются атомы. Так, из отдельных атомов состоят благородные газы — гелий, неон, аргон и др. Атомы в отличие от молекул в ходе химических реакций не делятся на более мелкие части.
Атомы — это мельчайшие химически неделимые частицы вещества.
Элементарные частицы
В конце XIX—начале XX в. было обнаружено, что атомы состоят из ешё более мелких частиц. Эти частицы были названы элементарными частицами. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся отрицательно заряженные частицы — электроны. Заряд электрона принято считать равным —1.
Ядро атома, в свою очередь, также состоит из элементарных частиц. В состав ядер атомов входят положительно заряженные частицы — протоны и частицы, имеющие почти такую же массу, как протоны, но не имеющие заряда,— нейтроны. Заряд протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак (+1).
Например, атом водорода состоит из ядра, в котором находится только один протон и один электрон. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся 2 протона и 2 нейтрона, а также 2 электрона. Атом лития состоит из ядра, в котором находятся 3 протона, 4 нейтрона, а также 3 электрона.
Ионы
Одни атомы, взаимодействуя с другими атомами, могут терять или, наоборот, приобретать один или более электронов. В результате электрически нейтральный атом превращается в заряженную частицу — ион. Если атом теряет один или несколько электронов, его называют положительно заряженным ионом. Атом, дополнительно присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательно заряженным ионом. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу. Подробнее электронно-ионная теория рассматривается в курсе физики (читать Конспект «Электронно-ионная теория»)
Конспект урока «Атомы, молекулы и ионы».
Следующая тема: «Простые и сложные вещества».
Межмолекулярные химические связи
Здесь взаимодействуют не атомы, а молекулы. Капитан очевидность. В таких связях очень маленькое количество энергии, но их настолько много, что они придают стабильность большим системам — белок, ДНК. Два варианта — водородные связи и и силы Ван-дер-Ваальса.
Водородная связь
Водородная связь — это связь атома водорода одной молекулы с атомом другой молекулы. Звучит просто, но она может образоваться не всегда. Есть условия, о которых мы сейчас поговорим:
- Атом водорода связан с сильно электроотрицательным элементом — N, O, F. Из-за этого на нем создается частичный положительный заряд — дельта +. Мы уже об этом говорили.
- Атом другой молекулы, с которым должен связаться кислород, имеет сильную электроотрицательность — N, O, F. Из-за этого на нем создается частичный отрицательный заряд — дельта -.
Водородные связи в воде
С помощью водородных связей образуются вторичная структура белка и вторичная структура ДНК.
Основной вклад в образование таких связей вносит электростатическое взаимодействие. Еще пишут про донорно-акцепторный механизм, но если бы он тут был, то образовывались ионы гидроксония, мы уже разобрали это выше.
Силы Ван-дер-Ваальса
Там три варианта, но я остановлюсь только на двух — ориентационных и индукционных взаимодействиях. Сначала ориентационные, с ними полегче. Проще будет просто показать это.
Ориентационные силы Ван-дер-Вальса
Такие молекулы называют диполями — у них есть положительно и отрицательно заряженные части. Молекулы ориентируются друг на друга: положительные части располагаются рядом с отрицательными и между ними образуются слабые связи. Ну вы поняли, что такая тема может идти только в соединениях с ковалентной полярной связью.
Теперь индукционные. Смотрите, есть одна молекула — HCl, у нее есть дельта-положительно заряженный водород. Вдруг такая молекула подходит к молекуле, где связь неполярная, например водороду. Что было дальше? А вот что, дельта-положительный водород начинает оттягивать на себя электронную пару из молекулы. Тут то и образуется диполь.
Индукционные силы Ван-дер-Вальса
Табличка?
ЭлектроотрицательностьСкачать
Химические формулы
Химическая формула вещества показывает, сколько атомов каких элементов входит в состав одной молекулы. Каждый атом обозначается символом. Как правило, в качестве символа выбирается первая буква английского, латинского или арабского названия элемента. Например, молекула углекислою газа состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода, поэтому формула углекислого газа СО2. Двойка Атомы обозначает число атомов кислорода в молекуле.
Этот опыт продемонстрирует вам, что молекулы вещества удерживаются вместе силами притяжения. Наполните стакан водой до краев
Осторожно опустите в стакан несколько монет. Вы увидите, что над краями стакана приподнялся водяной купол
Сила, притягивающая молекулы воды друг к другу, может удержать некоторое количество воды над краями стакана. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.
Свободный электрон
Именно поток свободных электронов образует электрический ток. Больше всего не связанных с атомами электронов в металлах, чем и объясняется их высокая электропроводимость.
Впервые предположение о том, что электрический разряд состоит из отдельных частиц, еще в середине XVIII века высказал Бенджамин Франклин (1706-1790)
Сходные идеи в той или иной форме развивались на протяжении всего XIX столетия: так, важной вехой стало открытие Майклом Фарадеем (1791-1867) ионов – переносчиков электрического заряда в растворах солей. Ионы, как сейчас известно, представляют собой атомы с неравным количеством протонов и электронов, но их структура оставалась загадкой вплоть до рубежа веков
Проводя эксперименты с так называемыми «катодными лучами» (отрицательно заряженным излучением, возникающим в разреженном газе), британский физик Джозеф Томсон (1856-1940) обнаружил их дискретную природу. Лучи искривлялись под воздействием магнитных полей, а их скорость была значительно меньше скорости света. Следовательно, лучи – точнее, их составляющие – имели массу, которая при этом составляла лишь тысячные доли от массы любого известного иона. Томсон назвал новые частицы «электронами» (от греческого слова «янтарь»: с древности было известно, что от трения янтарь начинает притягивать мелкие предметы и испускать искры – эффекты, которые в современных терминах объясняются через идею статического электричества). Вскоре они стали важнейшим элементом всех новых моделей атомов.
Чтобы вырваться за пределы атома и стать свободным, электрону требуется некоторое количество энергии, разное для разных элементов. Её электрон может получить, например, за счёт поглощения фотонов света или любого другого электромагнитного излучения.
Другой способ образования свободных электронов – так называемый «бета-минус-распад», то есть превращение нейтрона внутри атомного ядра в протон. В ходе этого процесса из высвобожденных энергии и электрического заряда возникают пучки быстрых электронов и других частиц, антинейтрино.
