Какими свойствами обладают вещества молекулярного строения
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: 122.
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.
I. Новый материал
Эта лекция
будет посвящена следующим понятиям: «атом», «молекула»,
«вещества молекулярного и немолекулярного строения»,
«атомно-молекулярное учение».
Возникновение представлений об атомах и молекулах
Посмотрите презентацию:
Древнегреческий философ
Демокрит 2500 лет
назад высказал мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших
невидимых, непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов. Слово
“атом” в переводе означает “неделимый”. Позднее, в средние века, учение об
атомах преследовалось религией, которая тормозила развитие науки в целом, и
химии в частности.
Учение о молекулах и атомах было разработано в
середине 18 века великим русским ученым Михаилом
Васильевичем Ломоносовым (1711 – 1765 гг.) Он утверждал, что тела в природе состоят из корпускл (молекул),
в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ ученый
прозорливо объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным
расположением атомов в них. Удивительно верной и смелой для того времени была
мысль М. В. Ломоносова о том, что некоторые корпускулы (молекулы) могут
состоять из одинаковых элементов (атомов). Учение об атомах получило дальнейшее
развитие в трудах известного английского ученого Джона
Дальтона (1766 –
1844 гг.).
МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ
Можно ли опытным путем доказать, что молекулы
состоят из атомов?
То, что атомы действительно существуют,
подтверждают многие химические реакции. Так, например, при пропускании
постоянного тока через воду в одной из трубок прибора собирается газ, в котором
тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Это кислород. В другой трубке собирается вдвое
больше газа, который от зажженной лучинки загорается. Это водород.
Схема аппарата для разложения воды (аппарат
Гофмана)
Объяснить это явление можно так. Мельчайшая
частица воды – молекула состоит из 2 атомов водорода и одного атома кислорода.
При пропускании постоянного тока через воду ее молекулы распадаются и
образуются химически неделимые частицы – атомы кислорода и водорода. Затем
атомы соединяются по два, и из двух молекул воды образуется одна – двухатомная
молекула кислорода и две водорода.
Некоторые представления об атомах и молекулах,
высказанные М. В. Ломоносовым за полвека до Д. Дальтона, оказались более
достоверными и научными. Например, английский ученый категорически отрицал
возможность существования молекул, состоящих из одинаковых атомов. Его взгляды
отрицательно сказались на развитие химии.Учение о молекулах и атомах окончательно
было принято только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлеруэ.
Итак, что такое молекулы и атомы?
Молекулы – мельчайшие частицы вещества, состав
которых и химические свойства такие же, как у данного вещества. Молекулы –
предельный результат механического дробления вещества.
Атомы – это мельчайшие химически неделимые
частицы, из которых состоят молекулы. Молекулы, в отличие от атомов, являются
химически делимыми частицами.
Молекулярные вещества
Молекулярные вещества — это вещества, мельчайшими
структурными частицами которых являются молекулы
Молекулы — наименьшая частица молекулярного вещества,
способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства.
Молекулярные вещества имеют низкие температуры
плавления и кипения и находятся в стандартных условиях в твердом, жидком или
газообразном состоянии.
Например: Вода — жидкость, tпл=0°С; tкип=100°С
Вода – самое известное и весьма
распространенное вещество на нашей планете: поверхность Земли на 3/4
покрыта водой, человек на 65 % состоит из воды, без воды невозможна жизнь, так
как в водном растворе протекают все клеточные процессы организма. Вода –
молекулярное вещество. Это одно из немногих веществ, которое в природных
условиях встречается в твердом, жидком и газообразном состояниях, и
единственное вещество, для которого в каждом из этих состояний есть свое
название.
Особенностями строения воды вызваны ее необычные свойства. Например, при
замерзании вода увеличивается в объеме, поэтому лед плавает в своем расплаве –
жидкой воде, а наибольшая плотность воды наблюдается при 4 oС,
поэтому зимой большие водоемы до дна не промерзают. На свойствах воды основана
и сама шкала температур Цельсия (0 o – температура замерзания, 100 o
– температура кипения). С причинами этих явлений и с химическими свойствами
воды вы познакомитесь позже.
Немолекулярные вещества
Немолекулярные вещества — это вещества, мельчайшими
структурными частицами которых являются атомы или ионы.
Ион — это атом или группа атомов, обладающих
положительным или отрицательным зарядом.
Например: Na+, Cl-.
Немолекулярные вещества находятся в стандартных
условиях в твердом агрегатном состоянии и имеют высокие температуры плавления и
кипения.
Например: Поваренная соль — твердое вещество, tпл=801°С;
tкип=1465°С; Железо
Железо – серебристо-белый, блестящий, ковкий
металл. Это немолекулярное вещество. Среди металлов железо занимает второе
место после алюминия по распространенности в природе и первое место по значению
для человечества. вместе с другим металлом – никелем – оно образует ядро нашей
планеты. Чистое железо не имеет широкого практического применения. Знаменитая
Кутубская колонна, расположенная в окрестностях Дели, высотой около семи метров
и весом 6,5 т, имеющая возраст почти 2800 лет (она поставлена в IX в. до н. э.)
– один из немногих примеров использования чистого железа (99,72 %); возможно,
что именно чистотой материала и объясняется долговечность и коррозионная
устойчивость этого сооружения.
В виде чугуна, стали и других сплавов железо используется буквально во всех
отраслях техники. Его ценные магнитные свойства используются в генераторах
электрического тока и электромоторах. Железо является жизненно необходимым
элементом для человека и животных, так как оно входит в состав гемоглобина
крови. При его недостатке клетки тканей получают недостаточно кислорода, что
ведет к очень тяжелым последствиям.
Атомно-молекулярное
учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый Ломоносов.
Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.
1. Все вещества состоят из «корпускул» (так Ломоносов называл молекулы).
2.
Молекулы состоят из «элементов» (так Ломоносов называл атомы).
3.
Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое
состояние тел есть результат движения их частиц.
4.
Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ
— из различных атомов.
Атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. В своей
основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Вместе с тем оно развивает
его дальше, поскольку Дальтон впервые пытался установить атомные массы
известных тогда элементов. Однако Дальтон отрицал существование молекул у
простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По
Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества —
из «сложных атомов» (в современном понимании — молекул). Отрицание Дальтоном
существования молекул простых веществ мешало дальнейшему развитию химии.
Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в- середине
XIX в.Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его
химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и
химическим строением. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая
в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента
определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома,
соответствующее современным представлениям: атом — это электронейтральная
частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно
заряженных электронов. Согласно современным представлениям из молекул состоят
вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из
молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет
молекулярную структуру.
Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:
- Существуют
вещества с молекулярным и немолекулярным строением. - Между
молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного
состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между
молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее
сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В
твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они
почти не сжимаются. - Молекулы
находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от
температуры. С повышением температуры скорость движения молекул
возрастает. - Между
молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В
наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей — в
газах. - Молекулы
состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном
движении. - Атомы
одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами. - При
физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило,
разрушаются. - У веществ
с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических
решето находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах
кристаллической решетки, слабые и при нагревании разрываются. Поэтому
вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры
плавления. - У веществ
с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы
или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические
связи, для разрушения которых требуется много энергии. Поэтому вещества с
немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления.
Объяснение
физических и химических явлений с точки зрения атомно-молекулярного учения.
Физические и химические явления получают объяснение с позиций
атомно-молекулярного учения. Так, например, процесс диффузии объясняется
способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами
(атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы
(атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются
промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических
связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием
других веществ.
II. Закрепление
Дайте ответы на следующие вопросы:
- Назовите имя древнегреческого философа, который высказал
мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших невидимых,
непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов. - Назовите имя великого русского учёного, основоположника учения о молекулах и атомах.
- Дайте определение молекуле.
- Дайте определение атому.
- Какие вещества относят к веществам молекулярного строения? Приведите примеры веществ.
- Какие вещества относят к веществам немолекулярного строения? Приведите примеры веществ.
- Какими свойствами характеризуются веществамолекулярного строения?
- Какими свойствами характеризуются веществанемолекулярного строения?
- Как объяснить физические и химические явления с точки зрения атомно-молекулярного учения?