Какие свойства характерны для веществ с молекулярным строением
Все вещества состоят из атомов, которые объединяются в определенные структуры с помощью различных устойчивых связей. При этом структурная решетка физического тела может состоять, либо из отдельных однотипных групп атомов — молекул, либо из отдельных атомов. По типу связей различают вещества молекулярного и немолекулярного строения. Рассмотрим примеры веществ с молекулярным типом строения.
Строение вещества
Агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое или газообразное) и особенности его строения определяются взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят все вещества. Теория о молекулярном устройстве всех физических объектов подтвердилась многочисленными экспериментами. Современные приборы (электронные микроскопы) позволяют даже увидеть и сфотографировать отдельные молекулы и их расположение (структуру).
Перечислим базовые положения о молекулярном устройстве веществ:
- Все физические тела состоят из молекул — мелких частиц, каждая из которых имеет все основные химические и физические свойства, присущие всему веществу;
- Молекулы состоят из атомов;
- Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и ядра, включающего в себя положительно заряженные протоны и нейтроны, не имеющие зарядов;
- Молекулы вещества находятся в непрерывном, хаотическом движении;
- Взаимодействие частиц имеет электромагнитную природу: при сближении происходит отталкивание, а при удалении друг от друга возобновляется притяжение. В равновесном состоянии силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг другу.
Рис. 1. Молекулы одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях.
Древнегреческий философ Демокрит, живший более 2000 лет назад считается первым мыслителем, создавшим учение (теорию) о том, что весь наш мир построен из мельчайших. невидимых частичек — атомов. Слово атом имеет греческое происхождение (“атомос” — неделимый, неразрезаемый). Эта замечательная идея позднее была надолго забыта. Более тысячи лет безраздельно господствовало учение другого философа — Аристотеля, который отрицал существование атомов. Аристотель утверждал, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, и любое тело можно делить до бесконечности. И Демокрит, и Аристотель строили свои предположения на основе общих, теоретических рассуждений. Только в начале ХIХ века на основе многочисленных опытов и экспериментов ученые (Гассенди, Ломоносов, Бойль, Мариотт, Дальтон и др.) окончательно пришли к общему мнению о реальности существования атомов и молекул.
Рис. 2. Портрет М. В. Ломоносова:.
Свойства веществ молекулярного строения
Для описания веществ со схожими свойствами выделяют два основных вида: вещества немолекулярного строения и вещества молекулярного строения. Вещества, состоящие из однотипных молекул, имеющих в своем составе один и тот же набор атомов, называются веществами молекулярного строения. Общими для этих веществ являются следующие свойства:
- Слабые связи между молекулами, которые при небольшом повышении температуры начинают разрываться — сначала происходит переход в жидкое состояние, а затем в газовую фазу;
- Низкие температуры плавления и кипения.
Примеры веществ молекулярного строения
К молекулярным веществам относятся:
- Большинство простых веществ-неметаллов: кислород (O2), сера (S2), фосфор (P4), водород (H2), азот (N2), хлор (Cl2), фтор (F2), бром (Br2), йод (I2);
- Соединения веществ-неметаллов друг с другом: аммиак (NH3), углекислый газ (CO2), серная кислота (HSO4), оксид азота (N2O5);
- Сахар;
- Нафталин.
Молекулярная кристаллическая решетка образована молекулами, которые соединены между собой слабыми силами межмолекулярного притяжения. Поэтому эти вещества летучи (их можно обнаружить по запаху), имеют низкие температуры плавления, малую твердость (хрупкие) и являются диэлектриками (практически не проводят электрический ток).
Чаще всего молекулярные вещества при нормальных условиях находятся в жидком или газообразном агрегатном состоянии. Некоторые молекулярные вещества могут быть в твердом виде, но их отличительными свойствами являются: легкоплавкость и растворимость в воде (если в узлах полярные молекулы). Примерами таких веществ могут служить: сахар, глюкоза, нафталин, CO2 (“сухой лед”).
Рис. 3. Молекулярные кристаллические решетки, например: кислород, сера йод, вода:.
Атомов в составе молекулы может быть от 2 штук до бесконечности. Одно из первых мест по количеству атомов занимает молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая — кислота). В одной молекуле ДНК содержится атомов:
- углерода — 5750;
- водорода — 7227;
- кислорода — 4131;
- азота — 2215;
- фосфора — 590.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что к веществам с молекулярным строением относятся газообразные, жидкие и твердые вещества, молекулярная кристаллическая решетка которых образована молекулами, соединенными между собой слабыми силами межмолекулярного притяжения. Такие вещества летучи (обнаруживаются по запаху), имеют низкие температуры плавления, малую твердость (хрупкие) и являются диэлектриками (практически не проводят электрический ток).
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.4. Всего получено оценок: 118.
Основной структурной единицей веществ, имеющих молекулярное строение является молекула. Молекула состоит из ограниченного числа атомов, связанных друг с другом ковалентными химическими связями. Заряд молекулы также как и атома равен нулю.
Объединяясь в молекулу, атомы образуют определённую 2D или 3D-структуру (треугольник, квадрат, тетраэдр, октаэдр и т.д.).
Молекула – электронейтральная частица вещества, состоящая из конечного числа атомов, связанных между собой ковалентными связями и имеющая определённую пространственную структуру.
Отметим, что в некоторых случаях вещество может состоять из химически несвязанных атомов, но при этом иметь «молекулярное строение», например, все инертные газы. Для инертных газов понятия атом и молекула пересекаются.
Ковалентные связи между атомами образуются в результате обобществления атомами валентных электронов.
Валентные электроны — это электроны, принимающие участие в образовании химических связей.
Валентные электроны в атомах элементов главных подгрупп находятся на внешнем электронном слое. В атомах элементов побочных подгрупп часть валентных электронов находится на внешнем электронном слое, их там как правило 2, а иногда 1, с учётом эффекта провала электрона, а оставшаяся часть на d-подуровне предвнешнего электронного слоя.
При обобществлении валентных электронов атомами возникают общие электронные пары. Поэтому более точно, ковалентная связь — это связь, возникающая за счёт общих электронных пар.
Общие электронные пары могут возникать двумя способами: в результате обобществления неспаренных валентных электронов (обменный или коллигативный механизм) и в результате обобществления неподелённой электронной пары одного из атомов (донорно-акцепторный механизм). Более подробно речь об этих механизмах пойдёт в соответствующей главе.
Обобществление неспаренных электронов атомов водорода (обменный механизм образования ковалентной связи)
Валентный штрих Купера, показывающий общую электронную пару
Количество общих электронных пар, образуемых атомом принято называть его валентностью.
Валентность — это количество ковалентных связей атома с другими атомами.
Особо отметим, что если связи между атомами ковалентные, то это не свидетельство того, что вещество имеет молекулярное строение, т.е. состоит из молекул. Например, связи между атомами кремния и кислорода в SiO2 являются ковалентными, но SiO2 имеет атомное строение.
Чтобы однозначно определить имеет ли вещество молекулярное строение, необходимо знать его физические свойства: температуру кипения, температуру плавления и т.д. Вещества, имеющие молекулярное строение, как правило легкоплавки, имеют относительно низкую температуру кипения, так как связи между молекулами (межмолекулярное взаимодействие) достаточно слабые, имеющие низкие значения энергии.
Молекулы всегда имеют постоянный состав, поэтому и вещества молекулярного строения имеют постоянный состав, т.е. являются дальтонидами. Дальтониды подчиняются закону постоянства состава — закону Пруста (Ж. Л. Пруст, 1801—1808 гг.).
Для того, чтобы отразить состав молекулы применяют условную запись под названием химическая формула.
Химическая формула — условная запись, отражающая качественный и количественный состав веществ, имеющих молекулярное строение (условная запись состава молекулы).
Если вещество имеет немолекулярное строение (атомное или ионное), то его состав отражает формульная единица.
К примеру, если хлорид натрия находится при стандартных условиях, то он имеет ионное строение, а значит запись NaCl для кристаллического хлорида натрия не является химической формулой, а является записью формульной единицы.
При достаточно высоких температурах хлорид натрия можно перевести в газообразное агрегатное состояние, в этом случае резко повышается степень ковалентности связи. Это значит, что в газовой фазе существуют молекулы состава NaCl. На сей счёт имеются экспериментальные доказательства. Действительно, подобные молекулы в настоящее время удаётся получить, изолировав их друг от друга в твёрдом аргоне при температуре -2630 С. В приведённом примере запись NaCl является химической формулой, отражающей состав молекулы.
Во многих пособиях и учебниках до сих пор встречается определение молекулы, как наименьшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами.
Отметим, что данное определение является устаревшим и неправильным. Так молекулу определял Канницаро в 1860 году.
Ошибочность определения заключается в следующем.
Молекула не является наименьшей частицей вещества, так как существуют вещества атомного строения.
Молекула не является носителем химических свойств вещества, свойства обусловлены не единичной частицей, а их совокупностью, характером их взаимодействия.
Одна молекула тринитротолуола не обладает свойством взрывчатости, как даже две, три и большее их количество. Свойством взрывчатости будет обладать совокупность громадного числа молекул тринитротолуола — вещество.
Состав и строение молекулы определяют свойства вещества, но не молекула является носителем этих свойств.
Для наглядного изображения пространственного строения молекул применяют различные модели: шаростержневая модель, полусферическая модель Стюарта-Бриглеба, модель Драйдинга.
Темы кодификатора ЕГЭ: Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.
Молекулярно-кинетическая теория
Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.
Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойства. Обязательно озучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!
Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.
В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко (расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с газом.
Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют между собой, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.
Если же частицы расположены близко к друг другу, но более упорядоченно, и больше взаимодействуют между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другиеположения, то мы имеем дело с твердым веществом.
Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода. При нормальных условиях она жидкая, при 0 оС она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое, и при 100 оС закипает – переходит в газовую фазу – водяной пар. При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используют в промышленности. Иногда выделяют плазму, а также жидкие кристаллы, как отдельные фазы.
Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!
Данная статья рассматривает свойства твердых тел, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.
Температура плавления – это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.
Пластичность – это способность вещества деформироваться без разрушения.
Электропроводность – это способность вещества проводить ток.
Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые могут проводить ток (т.е. содержат подвижные заряженные частицы). Диэлектрики – это вещества, которые практически не проводят ток.
В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично, либо более упорядоченно. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично, вещество называют аморфным. Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло.
Аморфный бор
Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют кристаллом, а саму структуру – кристаллической решеткой. Большинство известных нам веществ – кристаллы. Сами частицы при этом расположены в узлах кристаллической решетки.
Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.
В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру.
Атомная кристаллическая решетка
Атомная кристаллическая решетка образуется, когда в узлах кристалла расположены атомы. Атомы соединены между собой прочными ковалентными химическими связями. Соответственно, такая кристаллическая решетка будет очень прочной, разрушить ее непросто. Атомную кристаллическую решетку могут образовывать атомы с высокой валентностью, т.е. с большим числом связей с соседними атомами (4 или больше). Как правило, это неметаллы: простые вещества — кремния, бора, углерода (аллотропные модификации алмаз, графит), и их соединения (бороуглерод, оксид кремния (IV) и др.). Поскольку между неметаллами возникает преимущественно ковалентная химическая связь, свободных электронов (как и других заряженных частиц) в веществах с атомной кристаллической решеткой в большинстве случаев нет. Следовательно, такие вещества, как правило, очень плохо проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Это общие закономерности, из которых есть ряд исключений.
Связь между частицами в атомных кристалалах: ковалентная полярная или неполярная.
В узлах кристалла с атомной кристаллической структурой расположены атомы.
Фазовое состояние атомных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.
Вещества, образующие в твердом состоянии атомные кристаллы:
- Простые вещества с высокой валентностью (расположены в середине таблицы Менделеева): бор, углерод, кремний, и др.
- Сложные вещества, образованные этими неметаллами: кремнезем (оксид кремния, кварцевый песок) SiO2; карбид кремния (корунд) SiC; карбид бора, нитрид бора и др.
Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:
— прочность;
— тугоплавкость (высокая температура плавления);
— низкая электропроводность;
— низкая теплопроводность;
— химическая инертность (неактивные вещества);
— нерастворимость в растворителях.
Молекулярная кристаллическая решетка
Молекулярная кристаллическая решетка – это такая решетка, в узлах которой располагаются молекулы. Удерживают молекулы в кристалле слабые силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса, водродные связи, или электростатическое притяжение). Соответственно, такую кристаллическую решетку, как правило, довольно легко разрушить. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой – легкоплавкие, непрочные. Чем больше сила притяжения между молекулами, тем выше температура плавления вещества. Как правило, температуры плавления веществ с молекулярной кристаллической решеткой не выше 200-300К. Поэтому при нормальных условиях большинство веществ с молекулярной кристаллической решеткой существует в виде газов или жидкостей. Молекулярную кристаллическую решетку, как правило, образуют в твердом виде кислоты, оксиды неметаллов, прочие бинарные соединения неметаллов, простые вещества, образующие устойчивые молекулы (кислород О2, азот N2, вода H2O и др.), органические вещества. Как правило, это вещества с ковалентной полярной (реже неполярной) связью. Т.к. электроны задействованы в химических связях, вещества с молекулярной кристаллической решеткой – диэлектрики, плохо проводят тепло.
Связь между частицами в молекулярных кристалалах: межмолекулярные водородные связи, электростатические или межмолекулярные силы притяжения.
В узлах кристалла с молекулярной кристаллической структурой расположены молекулы.
Фазовое состояние молекулярных кристаллов при нормальных условиях: газы, жидкости и твердые вещества.
Вещества, образующие в твердом состоянии молекулярные кристаллы:
- Простые вещества-неметаллы, образующие маленькие прочные молекулы (O2, N2, H2, S8 и др.);
- Сложные вещества (соединения неметаллов) с ковалентными полярными связями (кроме оксидов кремния и бора, соединений кремния и углерода) — вода H2O, оксид серы SO3 и др.
- Одноатомные инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон и др.);
- Большинство органических веществ, в которых нет ионных связей — метан CH4, бензол С6Н6 и др.
Физические свойства веществ с молекулярной кристаллической решеткой:
— легкоплавкость (низкая температура плавления):
— высокая сжимаемость;
— молекулярные кристаллы в твердом виде, а также в растворах и расплавах не проводят ток;
— фазовое состояние при нормальных условиях – газы, жидкости, твердые вещества;
— высокая летучесть;
— малая твердость.
Ионная кристаллическая решетка
В случае, если в узлах кристалла находятся заряженные частицы – ионы, мы можем говорить о ионной кристаллической решетке. Как правило, с ионных кристаллах чередуются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы), поэтому частицы в кристалле удерживаются силами электростатического притяжения. В зависимости от типа кристалла и типа ионов, образующих кристалл, такие вещества могут быть довольно прочными и тугоплавкими. В твердом состоянии подвижных заряженных частиц в ионных кристаллах, как правило, нет. Зато при растворении или расплавлении кристалла ионы высвобождаются и могут двигаться под действием внешнего электрического поля. Т.е. проводят ток только растворы или расплавы ионных кристаллов. Ионная кристаллическая решетка характерна для веществ с ионной химической связью. Примеры таких веществ – поваренная соль NaCl, карбонат кальция – CaCO3 и др. Ионную кристаллическую решетку, как правило, в твердой фазе образуют соли, основания, а также оксиды металлов и бинарные соединения металлов и неметаллов.
Связь между частицами в ионных кристаллах: ионная химическая связь.
В узлах кристалла с ионной решеткой расположены ионы.
Фазовое состояние ионных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.
Химические вещества с ионной кристаллической решеткой:
- Соли (органические и неорганические), в том числе соли аммония (например, хлорид аммония NH4Cl);
- Основания;
- Оксиды металлов;
- Бинарные соединения, в составе которых есть металлы и неметаллы.
Физические свойства веществ с ионной кристаллической структурой:
— высокая температура плавления (тугоплавкость);
— растворы и расплавы ионных кристаллов – проводники тока;
— большинство соединений растворимы в полярных растворителях (вода);
— твердое фазовое состояние у большинства соединений при нормальных условиях.
Металлическая кристаллическая решетка
И, наконец, металлы характеризуются особым видом пространственной структуры – металлической кристаллической решеткой, которая обусловлена металлической химической связью. Атомы металлов довольно слабо удерживают валентные электроны. В кристалле, образованном металлом, происходят одновременно следующие процессы: часть атомов отдает электроны и становится положительно заряженными ионами; эти электроны хаотично перемещаются в кристалле; часть электронов притягивается к ионам. Эти процессы происходят одновременно и хаотично. Таким образом, возникают ионы, как при образовании ионной связи, и образуются общие электроны, как при образовании ковалентной связи. Свободные электроны перемещаются хаотично и непрерывно по всему объему кристалла, как газ. Поэтому иногда их называют «электронным газом». Из-за наличия большого числа подвижных заряженных частиц металлы проводят ток, тепло. Температура плавления металлов сильно варьируется. Металлы также характеризуются своеобразным металлическим блеском, ковкостью, т.е. способностью изменять форму без разрушения при сильном механическом воздействии, т.к. химические связи при этом не разрушаются.
Связь между частицами: металлическая химическая связь.
В узлах кристалла с металлической решеткой расположены ионы металлов и атомы.
Фазовое состояние металлов при обычных условиях: как правило, твердые вещества (исключение — ртуть, жидкость при обычных условиях).
Химические вещества с металлической кристаллической решеткой — простые вещества-металлы.
Физические свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:
— высокая тепло- и электропроводность;
— ковкость и пластичность;
— металлический блеск;
— металлы, как правило, нерастворимы в растворителях;
— большинство металлов – твердые вещества при нормальных условиях.
Сравнение свойств веществ с различными кристаллическими решетками
Тип кристаллической решетки (или отсутствие кристаллической решетки) позволяет оценить основные физические свойства вещества. Для примерного сравнения типичных физических свойств соединений с разными кристаллическими решетками очень удобно использовать химические вещества с характерными свойствами. Для молекулярной решетки это, например, углекислый газ, для атомной кристаллической решетки — алмаз, для металлической — медь, и для ионной кристаллической решетки — поваренная соль, хлорид натрия NaCl.
Сводная таблица по структурам простых веществ, образованных химическими элементами из главных подгрупп таблицы Менделеева (элементы побочных подгрупп являются металлами, следовательно, имеют металлическую кристаллическую решетку).
Итоговая таблица связи свойств веществ со строением:
