Электрические свойства молекул. Полярность молекул
Как уже говорилось выше, молекула представляет собой систему из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных молекулярных электронных орбиталей. Если центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, то такие молекулы называют неполярными, а вещества, состоящие из неполярных молекул, — неполярными веществами. Примером неполярных могут служить молекулы, состоящие из атомов одного вида (02, N2, Н2 — так называемые простые вещества), или сложные многоатомные молекулы с симметричным распределением электронной плотности: С02 (0=С=0), СС14.
Если же центры тяжести зарядов не совпадают (в одной части молекулы преобладает положительный, в другой — отрицательный заряд), то такие молекулы называют полярными, а вещества, состоящие из полярных молекул, — полярными веществами. Несовпадение зарядов обусловлено различной электроотрицательностью атомов, входящих в состав молекулы и несимметричностью расположения электронной плотности относительно ядер. Это молекулы НС1, Н20 и т.п.
Из-за смещения зарядов относительно друг друга полярные молекулы образуют электрические диполи. Диполь — система одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов (так называемых эффективных зарядов 5 + и 5 _ ) в электронейтральной молекуле. Диполь характеризуется дипольным моментом — произведением эффективного заряда 5 на расстояние между зарядами I:
В системе СИ единицей измерения дипольного момента является [Кл • м], но на практике чаще используют несистемную размерность — дебай [1] [D]: 1 D = 3,336 • 10-зоКл • м.
Для сложных молекул дипольный момент равен векторной сумме дипольных моментов всех связей (рис. 1.28).
В четыреххлористом углероде СС14 все четыре связи сильно полярные (ц = 2,05 D), но они симметрично расположены вокруг атома углерода, поэтому дипольные моменты связей компенсируют друг друга и общий дипольный момент молекулы равен нулю: СС14 — неполярное вещество.
В молекуле хлороформа СНС13 дипольные моменты связей не компенсируют друг друга. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в ней не совпадают: отрицательный заряд смещен в сторону трех атомов хлоров, а положительный — в сторону атома водорода. Молекула СНС13 в целом — диполь, ее ц = 1,06 D. В табл. 1.6 приведены дипольные моменты некоторых молекул.
Рис. 1.28. Примеры дипольных моментов
Дипольные моменты некоторых веществ
Дипольный момент, D
Как очевидно из приведенных данных, наибольшую полярность имеют ионные соединения Nal, КС1 и т.п. (такие молекулы существуют лишь в газовой фазе). Это вполне объяснимо: в них электронная плотность полностью смещена к одному из атомов и эффективный заряд 5 = 1,6 • 1СН 9 Кл, он равен заряду электрона. В неионных соединениях 5 всегда меньше заряда электрона, так как электронная плотность лишь смещена к одному из атомов. По этой причине дипольный момент их ниже, чем у ионных соединений.
Молекулы углекислого газа С02, так же как и воды Н20, состоят из трех атомов, соединенных полярными связями. Но в С02 эти связи расположены симметрично: 0=С=0. По этой причине С02 — неполярное вещество. В молекуле же Н20 связи образуют угол -105°, вследствие чего центры положительных и отрицательных зарядов оказываются смещенными: вода — сильно полярное вещество, а ее молекулы — диполи (рис. 1.29).
Таким образом, дипольный момент может служить мерой полярности веществ: чем больше ц, тем полярнее вещество.
Рис. 1.29. Поляризация молекул под действием внешнего электрического поля:
1 — неполярные молекулы (а) под действием электрического поля превращаются в диполи (б); 2 — полярные молекулы (а) еще сильнее поляризуются и ориентируются вдоль электрического поля (б)
Кроме «чисто» полярных и неполярных принято выделять вещества, в целом полярные (их молекулы имеют дипольный момент), но имеющие очень развитую неполярную часть молекулы, придающую ей уникальные свойства. Например, действующим началом различных моющих средств, в частности мыла, являются стеарат (C]7H3SCOONa) и пальмитат (С)5Н3]СООЫа) натрия или калия (жидкие мыла). В молекулах таких веществ есть полярная часть — карбоксильная группа с ионом натрия, которая обусловливает полярность молекулы в целом, есть и неполярная часть — длинный углеводородный радикал.
Именно наличие полярной и неполярной частей у таких молекул обусловливает их моющее действие. Такие вещества способны снижать поверхностное натяжение воды, поэтому их называют поверхностноактивными веществами (ПАВ) и обозначают -о. Кружочек символизирует полярную часть (она имеет дипольный момент: -СООН; -ОН; -NH2 и др.), а черточка означает неполярную часть — это углеводородный радикал.
Такие ПАВ, как олеиновая (С17Н33СООН), абиетиновая (С19Н29СООН), бутилксантогеновая (C4H9OCSSH) и тому подобные кислоты и их соли щелочных металлов (Na и К), находят широкое применение в полиграфической технологии. Свойства ПАВ мы подробно рассмотрим в подпараграфе 5.2.4.
Полярные и неполярные молекулы (Пример)
ЧТО ТАКОЕ ПОЛЯРНЫЕ И НЕПОЛЯРНЫЕ МОЛЕКУЛЫ
Во всякой молекуле имеются как положительно заряженные частицы — ядра атомов, так и отрицательно заряженные — электроны. Для каждого рода частиц (или, вернее, зарядов) можно найти такую точку, которая будет являться как бы их «электрическим центром тяжести».
Эти точки называются полюсами молекулы. Если в молекуле электрические центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадут, то молекула будет неполярной.
Пример неполярной молекулы
Таковы, например, молекулы Н2, N2, образованные одинаковыми атомами, у которых общие пары электронов в равной мере принадлежат обоим атомам, а также многие симметрично построенные молекулы с атомной связью, например метан СН4, четыреххлористый углерод ССl4.
Но если молекула построена несимметрично, например состоит из двух разнородных атомов, то, как мы уже говорили, общая пара электронов может быть в большей или меньшей степени смещена в сторону одного из атомов. Очевидно, что в этом случае, вследствие неравномерного распределения положительных и отрицательных зарядов внутри молекулы, их электрические центры тяжести не совпадут и получится полярная молекула (рис.).
Полярные молекулы это
Полярные молекулы являются диполями. Этим термином обозначают вообще всякую электронейтральную систему, т. е. систему, состоящую из положительных и отрицательных зарядов, распределенных таким образом, что их электрические центры тяжести не совпадают.
Расстояние между электрическими центрами тяжести тех и других зарядов (между полюсами диполя) называется длиной диполя. Длина диполя характеризует степень полярности молекулы. Понятно, что для различных полярных молекул длина диполя различна; чем она больше, тем резче выражена полярность молекулы.
Рис. 2. Схемы строения молекул СO2 и CS2
На практике степень полярности тех или иных молекул устанавливают путем измерения так называемого дипольного момента молекулы т, который определяется как произведение длины диполя l на заряд его полюса е:
т = l • е
Величины дипольных моментов связаны с некоторыми свой-ствами веществ и могут быть определены экспериментальным путем. Порядок величины т всегда 10 -18 , так как заряд элек трона равен 4,80 • 10 -10 электростатических единиц, а длина диполя — величина того же порядка, что и диаметр молекулы, т. е. 10 -8 см. Ниже приведены дипольные моменты молекул некоторых неорганических веществ.
Дипольные моменты
Дипольные моменты некоторых веществ
Хлористый водород……. 1,04
Двуокись углерода……. 0
Йодистый водород…….. 0,38
Окись углерода ……. 0,11
Сернистый газ. . . …… 1,6
Определение величин дипольных моментов позволяет сделать много интересных выводов относительно строения различных молекул. Рассмотрим некоторые из этих выводов.
Рис. 3. Схема строения молекулы воды
Как и следовало ожидать, дипольные моменты молекул водорода и азота равны нулю; молекулы этих веществ совершенно симметричны и, следовательно, электрические заряды в них распределены равномерно. Отсутствие полярности у двуокиси углерода и у сероуглерода показывает, что их молекулы также построены симметрично. Строение молекул этих веществ схематически изображено на рис. 2.
Несколько неожиданным является наличие довольно большого дипольного момента у воды. Так как формула воды аналогична формулам двуокиси углерода и сероуглерода, то следовало ожидать, что её молекулы будут построены так же симметрично, как и молекулы CS2 и СО2.
Однако ввиду экспериментально установленной полярности молекул воды (полярности молекул) это предположение приходится отбросить. В настоящее время молекуле воды приписывают несимметричное строение (рис. 3): два атома водорода соединены с атомом кислорода так, что их связи образуют угол около 105°. Аналогичное расположение атомных ядер имеется и в других молекулах такого же типа (H2S, SO2), обладающих дипольными моментами.
Полярностью молекул воды объясняются многие ее физические свойства.
Вы читаете, статья на тему Полярные и неполярные молекулы
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей
Полярные и неполярные молекулы понятие, как определить полярность
В данной теме будут рассмотрены свойства идеальных диэлектриков, т.е. таких веществ, у которых отсутствуют свободные заряды, и при нормальных условиях они являются изоляторами. Взаимодействуют ли диэлектрики с электрическим полем? Фарадей с помощью электроскопа и конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин, обнаружил, что, если между пластинами поместить диэлектрик, то емкость такого конденсатора увеличивается. Когда пространство между пластинами целиком заполнено диэлектриком, емкость конденсатора возрастает в ε раз по сравнению с емкостью “пустого” конденсатора тех же размеров. ε – величина, называемая диэлектрической проницаемостью, зависит от состава и строения диэлектрика и является основной макроскопической характеристикой свойств диэлектрика.
3.2.1. Полярные и неполярные молекулы
Учтем, что в составе атомов и молекул содержатся положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Для расстояний, больших по сравнению с размерами молекулы, наличие многих электронов эквивалентно действию их суммарного заряда, помещенного в центр тяжести положительного заряда. Тогда в целом оказывается, что атом или молекула электрически нейтральны.
Различают неполярные и полярные молекулы. В отсутствие внешнего электрического поля у неполярной молекулы центр тяжести положительного заряда совпадает с центром тяжести отрицательного заряда. Для полярной молекулы центр тяжести положительного заряда не совпадает с центром тяжести отрицательного заряда, благодаря чему такая молекула эквивалентна электрическому диполю и обладает собственным дипольным моментом (Рис. 3.2.1):
Рис. 3.2.1. Дипольный момент полярной молекулы
где
(3.2.2) |
(3.2.3) |
есть радиус-векторы центра тяжести положительных и отрицательных зарядов, соответственно, – радиус – векторы точек, в которых помещаются i-й положительный и j-й отрицательный заряды в атоме или молекуле, q – суммарный заряд атома или молекулы.
Подставляя (3.2.2) и (3.2.3) в (3.2.1), получаем:
(3.2.4) |
Неполярная молекула собственным дипольным моментом не обладает, однако под действием электрического поля заряды в ней смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные – против. В результате молекула приобретает электрический момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряженности поля:
(3.2.5) |
где α – поляризуемость молекулы (имеет размерность объема).
Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды атома (молекулы) были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому неполярная молекула под действием поля ведет себя как упругий диполь.
Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля. Полярная молекула во внешнем поле представляет собой жесткий диполь.
В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы), или распределены по направлениям в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.
Под действием внешнего электрического поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что суммарный электрический момент диэлектрика становится отличным от нуля. В качестве меры поляризации диэлектрика принимают вектор поляризации – дипольный момент единицы объема:
(3.2.6) |
Опыт показывает, что для большинства диэлектриков выполняется соотношение:
(3.2.7) |
где χ – диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина).
Рассмотрим процесс поляризации однородного диэлектрика. Пусть поле в диэлектрике создается системой свободных зарядов на проводящих обкладках конденсатора (Рис. 3.2.2).
Рис. 3.2.2. Плоский конденсатор с диэлектриком
Пусть диэлектрик состоит из атомов одного сорта, тогда под действием поля каждый атом поляризуется (Рис. 3.2.3).
Рис. 3.2.3. Распределение электронов в атоме в электрическом поле
Если таких атомов в единице объема N, то имеем:
(3.2.8) |
где – величина смещения электронного облака относительно центра атома.
Если положительные и отрицательные заряды внутри диэлектрика имеют одинаковую среднюю плотность, то сам факт их смещения не приводит к появлению суммарного заряда внутри объема, поскольку происходит общая компенсация.
В случае плоского конденсатора достаточно посмотреть, что происходит на поверхности. На одной поверхности электроны эффективно выдвинулись на расстояние δ на другой поверхности они сдвинутся внутрь, оставив положительные заряды на расстоянии δ снаружи. Возникает поверхностная плотность зарядов (поляризационный заряд) (Рис. 3.2.4)
Рис. 3.2.4. Диэлектрик в однородном поле
Если площадь пластинки – S, то число электронов, которое окажется в объеме Sδ вблизи поверхности S, равно SN·δ. Тогда можно вычислить плотность поляризационных зарядов и, сравнивая с (3.2.8), записать:
(3.2.9) |
Поляризационные заряды существуют только благодаря наличию на обкладках свободных зарядов. Если, разрядив конденсатор, удалить σсвоб, то σпол также исчезнет – уйдет внутрь материала за счет релаксации поляризации в диэлектрике.
Используем теорему Гаусса: поток вектора электрического поля через замкнутую поверхность равен сумме всех зарядов внутри этой поверхности, деленной на ε:
(3.2.10) |
Применяя соотношение (3.2.10) к поверхности S на Рис.3.2.2 и учитывая симметрию задачи, можно заменить интеграл суммой и записать:
(3.2.11) |
поскольку свободные и поляризационные заряды – противоположного знака.
Кроме того, при записи (3.2.11) предполагалось, что диэлектрик на Рис.3.2.2 целиком заполняет пространство между пластинами. Подставляя результат (3.2.9) в (3.2.11), получим:
(3.2.12) |
Предположим, что , так что выполняется соотношение (3.2.7).
Подставляя (3.2.7) в (3.2.12), имеем:
(3.2.13) |
или
(3.2.14) |
где – электрическое поле, образованное свободными зарядами, в конденсаторе без диэлектрика (внешнее поле), и введено обозначение диэлектрической проницаемости:
(3.2.15) |
Из (3.2.15) следует физический смысл этой макроскопичекой постоянной ε как основного параметра диэлектрика: макроскопическое (среднее) поле в конденсаторе с диэлектриком в ε раз меньше, чем поле в таком же конденсаторе без него.
3.2.2. Процесс поляризации
однородного диэлектрика
Процесс поляризации диэлектрика существенно связан с его внутренним строением.
Различают три основных типа поляризации:
- электронную;
- ионную;
- дипольную (реориентационную).
Электронная поляризация связана с малыми деформациями электронных облаков любых атомов. Это означает, что данный тип поляризации присущ любым диэлектрикам – как полярным, так и неполярным. Электронная поляризуемость пропорциональна кубу атомного радиуса, т.е. чем крупнее атомы, тем они сильнее поляризуются. Температурная зависимость свойств диэлектрика с преимущественно электронной поляризацией слабо выражена. В чистом виде этот тип поляризации присутствует, например, в кристаллах с ковалентной химической связью, образованных из атомов одного сорта: алмаз, кремний, германий.
Ионная поляризация добавляется к электронной, если кристалл образован за счет кулоновского взаимодействия разноименно заряженных ионов (ионная химическая связь). В процессе действия электрического поля, наряду с малыми деформациями электронных облаков ионов, происходит смещение отрицательных ионов к положительному направлению электрического поля, положительно заряженных – к отрицательному направлению. Как результат, возникает перераспределение зарядов внутри вещества, причем на границах образца, обращенных к положительному направлению электрического поля, возникает отрицательный заряд, поскольку такие заряды выдвинулись изнутри, на противоположной границе – положительный заряд. Такие поверхностные заряды называют поляризационными , или связанными . Следовательно, образуется индуцированный дипольный момент, который исчезает, если выключить внешнее поле. Такие вещества обладают существенно большими значениями диэлектрической проницаемости по сравнению с ковалентными кристаллами. Температурная зависимость свойств диэлектрика с преимущественно ионной поляризацией также слабо выражена. Такая поляризация определяется химическим составом вещества и присуща большому количеству ионных кристаллов: NaCl, KCl, CsBr. .
Дипольная (реориентационная) поляризация дает преобладающий вклад в общую поляризацию вещества, если в его составе есть молекулы или молекулярные группы, обладающие постоянным электрическим моментом. Такие молекулы (молекулярные группы) должны быть образованы ионами с различной электроотрицательностью, что приводит к асимметрии расположения электрического заряда. Действие электрического поля, помимо электронной поляризации входящих в состав полярной молекулы или молекулярной группы атомов, приводит к поворотам дипольных молекул так, что их оси (или проекции на направление электрического поля) становятся параллельными внешнему полю. В результате, как и ранее, внутри диэлектрика формируется электрическое поле, направленное против внешнего, благодаря чему общее поле внутри диэлектрика будет в ε раз меньше, чем внешнее. Однако ориентирующему действию электрического поля противостоит тепловое движение молекул, производящее обратный эффект. С повышением температуры тепловое движение существенно уменьшает преимущественную ориентацию полярных молекул вдоль поля, благодаря чему в таких веществах диэлектрические свойства, например диэлектрическая проницаемость, также начинают зависеть от температуры по закону:
(3.2.16) |
Здесь С – константа, Т – абсолютная температура. Обратная (гиперболическая) температурная зависимость в соответствии с соотношением (3.2.15) известна как закон Кюри .
В диэлектриках газах или жидкостях полярные молекулы имеют полную свободу вращательного движения под действием электрического поля, в твердых телах такие движения существенно ограничены малыми поворотами вокруг положения равновесия (отсюда термин – реориентационная поляризация). Ясно также, что в веществе, находящемся в одном из двух агрегатных состояний – жидком или твердом – диэлектрические свойства будут больше для жидкости. В целом количественный вклад дипольной поляризации обычно выше, чем ионной или электронной. Классический пример дипольного диэлектрика – вода (лед), где благодаря стереохимическому строению молекулы последняя обладает постоянным дипольным моментом р (Рис. 3.2.5).
Рис. 3.2.5. Постоянный электрический момент молекулы воды
В веществе, имеющем сложное химическое строение, различные механизмы поляризации могут быть представлены в комбинациях:
- электронный;
- электронный + ионный;
- электронный + ионный + дипольный;
- электронный + дипольный.
|
Определение точечной группы – полезный способ предсказать полярность молекулы. В общем, молекула не будет обладать дипольным моментом, если отдельные дипольные моменты связи молекулы компенсируют друг друга. Это связано с тем, что дипольные моменты – это евклидовы векторные величины с величиной и направлением, и два равных вектора, которые противостоят друг другу, будут уравновешиваться. Любая молекула с центром инверсии («i») или горизонтальной зеркальной плоскостью («σ h ») не будет обладать дипольными моментами. Точно так же молекула с более чем одной осью вращения C n не будет обладать дипольным моментом, потому что дипольные моменты не могут находиться более чем в одном измерении . Как следствие этого ограничения, все молекулы с диэдральной симметрией (D n ) не будут иметь дипольного момента, потому что, по определению, точечные группы D имеют две или несколько осей C n . Поскольку точечные группы C 1 , C s , C ∞h C n и C n v не имеют центра инверсии, горизонтальных зеркальных плоскостей или нескольких осей C n , молекулы в одной из этих точечных групп будут иметь дипольный момент. Электрическое отклонение водыВопреки распространенному заблуждению, электрическое отклонение струи воды от заряженного объекта не зависит от полярности. Отклонение происходит из-за электрически заряженных капель в потоке, который индуцирует заряженный объект. Поток воды также можно отклонить в однородном электрическом поле, которое не может воздействовать на полярные молекулы. Кроме того, после того, как поток воды заземлен, его больше нельзя отклонить. Слабый прогиб возможен даже для неполярных жидкостей. Полярность молекул (типы ковалентных молекул)
Следует отличать полярность молекулы от полярности связи. Для двухатомных молекул типа АВ эти понятия совпадают, как это уже показано на примере молекулы HCl. В таких молекулах чем больше разность электроотрицательностей элементов (∆ЭО), тем больше электрический момент диполя. Например, в ряду HF, HCl, HBr, HI он уменьшается в той же последовательности, как и относительная электроотрицательность. Молекулы могут быть полярными и неполярными в зависимости от характера распределения электронной плотности молекулы. Полярность молекул характеризуется значением электрического момента диполя μм, который равен векторной сумме электрических моментов диполей всех связей и несвязывающих электронных пар в молекулах. Результат сложения зависит от полярности связей, геометрического строения молекулы, наличия неподеленных электронных пар. Большое влияние на полярность молекулы оказывает её симметрия. Например, молекула СО2 имеет симметричное линейное строение:
Поэтому, хотя связи С=О и имеют сильно полярный характер, вследствие взаимной компенсации их электрических моментов диполя молекула СО2 в целом неполярна ( Напротив, в угловой молекуле Н2О полярные связи О–Н располагаются под углом 104,5º. Поэтому их моменты взаимно не компенсируются и молекула оказывается полярной ( Электрическим моментом диполя обладают также угловая молекула SO2, пирамидальные молекулы NH3, NF3 и т. д. Отсутствие такого момента свидетельствует о высокосимметричной структуре молекулы, наличие электрического момента диполя – о несимметричности структуры молекулы (табл. 3.2). Строение и ожидаемая полярность молекул
На значение электрического момента диполя молекулы сильно влияют несвязывающие электронные пары. Например, молекулы NH3 и NF3 имеют одинаковую тригонально-пирамидальную форму, полярность связей N–H и N–F также примерно одинакова. Однако электрический момент диполя NH3 равен 0,49·10 -29 Кл·м, а NF3 всего 0,07·10 -29 Кл·м. Это объясняется тем, что в NH3 направление электрического момента диполя связывающей N–H и несвязывающей электронной пары совпадает и при векторном сложении обусловливает большой электрический момент диполя. Наоборот, в NF3 моменты связей N–F и электронной пары направлены в противоположные стороны, поэтому при сложении они частично компенсируются (рис. 3.15). Рис 3.15. Сложение электрических моментов диполя связывающих и несвязывающих электронных пар молекул NH3 и NF3 Неполярную молекулу можно сделать полярной. Для этого её надо поместить в электрическое поле с определенной разностью потенциалов. Под действием электрического поля «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются и возникает индуцированный или наведенный электрический момент диполя. При снятии поля молекула опять станет неполярной. Под действием внешнего электрического поля полярная молекула поляризуется, т. е. в ней происходит перераспределение зарядов, и молекула приобретает новое значение электрического момента диполя, становится ещё более полярной. Это может происходить и под влиянием поля, создаваемого приблизившейся полярной молекулой. Способность молекул поляризоваться под действием внешнего электрического поля называют поляризуемостью. Полярностью и поляризуемостью молекул обусловлено межмолекулярное взаимодействие. С электрическим моментом диполя молекулы связана реакционная способность вещества, его растворимость. Полярные молекулы жидкостей благоприятствуют электролитической диссоциации растворенных в них электролитов. Особенности полярной и неполярной химической связиНеполярная и полярная химическая связьОпределение, общие сведенияТочное знание о строении атомного ядра химических элементов определилось в науке только в начале прошлого века. До этого из-за незнания о существовании электронов связь между частицами веществ объяснялось понятием о валентности. В начале XVIII века ирландский химик Уильям Хиггинс опубликовал работу, где описал существование «неких связей между частицами веществ, которые являются соединительными связями между химическими элементами и их частицами». Это заявление стало предвестником теории о валентности, а позже — теории о химических связях. Эта теория смогла объяснить химические свойства и особенности веществ, которые окружали человека. Феномен химических связей объясняется стремлением всего к упорядочиванию. Химические элементы, атомы и их частицы стремятся к созданию уже определенных более устойчивых структур при меньших энергетических затратах. Разные вещества, с отличающимися свойствами, образуют разные химические связи, которые имеют особенные характеристики. Современная химия различает несколько видов связей:
Наиболее распространенным типом химической связи является ковалентная связь. Ковалентная химическая связь — химическая связь, которая образуется при взаимодействии атомов, по средствам перекрывания пар орбиталей их валентных электронов. Теория об особых видах связи между частицами подтвердилась благодаря американскому химику Гилберту Льюису, который предложил теорию ковалентной связи в 1916 году. Благодаря этой теории ученый смог объяснить принцип связи между молекулами водорода Н2, азота N2, кислорода O2, галогенов (F2, Сl2, Вг2, I2). Название ковалентной связи происходит от латинских «co» — совместно и «vales» — имеющий силу. Это название полностью определяет смысл ковалентной связи. В ходе обобществления валентных электронов происходит перекрытие орбиталей и объединение электронных пар. Каждый из элементов связи получает необходимое для завершения последних энергетических уровней количество электронов, тем самым аккумулируя энергию связи по правилу октета. Данный вид химической связи образуется между атомами химических элементов, относящихся к неметаллам. Все органические соединения образованы именно с помощью данного типа связи. Ковалентная связь характерна для простых веществ и сложных молекул. Ковалентная связь при взаимодействии атомов бывает двух видов: полярная и неполярная. Атомы объединяются по типу обменного или донорно-акцепторного механизмов. Образование ковалентной связи зависит от еще одного определения — электроотрицательности. Электроотрицательность (ЭО) — способность атома в молекуле притягивать электронные пары в свою сторону. В чем отличия, как различитьКовалентная неполярная связь образуется между одинаковыми элементами. У таких соединений нет полюсов. Электроотрицательность двух атомов, вступающих в связь, одного химического элемента равна, а значит ни одна из частиц не притягивает электронные пары ближе к себе, электронная плотность распределяется равномерно. Данный вид химической связи характерен для простых веществ: N2, F2, O2, H2 и других. Ковалентная полярная связь образуется между веществами с разными ЭО. В таком случае, электронная связь смещается к элементу с бОльшей электроотрицательностью и появляется полярность соединения. Он становится отрицательно заряженным. Другой — положительно. Оба получают частичный заряд, а не почти полный (как в ионной связи). Они неярко выражены, а образовавшаяся молекула в целом имеет нейтральный заряд. К таким соединениям относятся аммиак NH3, йодистый водород HI, вода H2O, хлористый водород HCl. Графически полярная и неполярная ковалентная химическая связь выглядит так: Образование связей, особенности, схема с примерамиОбразование ковалентной связи приводит к возникновению новых общих электронных пар, располагающихся между центрами ядер атомов. При ковалентной неполярной связи атомы одинаково вкладываются в создание электронных пар. Образование молекулы хлора Cl2 происходит следующим образом: Порядковый номер хлора согласно ПСХЭ Менделеева — 17. Это значит, что атом хлора имеет 17 электронов. 1 электронный слой имеет только 2 электрона. 2 слой заполняется по максимуму — 8 электронов. 3 слой обладает только 7 электронами. Ему не хватает еще одного для завершения электронного уровня. Два атома хлора объединяются и предоставляют по одному неспаренному электрону друг другу для завершения электронного уровня — между ними возникает общая электронная пара. Графически данный процесс выглядит следующим образом: При ковалентной полярной связи один из атомов больше отдает, чем принимает, а второй — больше принимает, чем отдает электроны. Образование молекулы фтористого водорода происходит следующим образом: Водород Н имеет 1 электрон, фтор F – 9. Водороду для завершения внешнего (1-го) электронного уровня не хватает 1 электрона. Фтору — также одного, однако изначально фтор обладает большей электроотрицательностью, чем водород в силу своего заряда. При образовании электронной связи он притягивает электронные пары к себе. Графически данный процесс выглядит следующим образом: Различают 2 вида механизмов образования ковалентных связей:
Первый тип встречается в природе гораздо чаще, нежели чем второй. ОбменныйОбменный механизм представляет собой взаимодействие между атомами, выполняющими одинаковые функции. Каждый из них предоставляет для процесса создания связи свободные (неспаренные) электроны. По обменному механизму происходит образование H2, Cl2 и других соединений. Донорно-акцепторныйДонорно-акцепторный механизм встречается, по сравнению с обменным, гораздо реже. Он характеризуется тем, что атомы, участвующие в создании химической связи, ведут себя различно. Один из них предоставляет электроны, а другой — место для них на своей свободной (вакантной) орбитали. По донорно-акцепторному типу образован катион аммония NH4+ и комплексные соединения. Графически данные механизмы выглядят так: ГибридизацияСогласно модели атомного ядра, каждый атом химических элементов имеет орбитали разного типа — s, p, d, f. Атомы содержат эти орбитали независимо от количества электронов. Гипотетический процесс смешения разных типов орбиталей у центрального атома многоатомной молекулы называется гибридизацией. Гибридизация бывает следующих видов:
Самыми распространенными являются первые 3. Гибридные электронные орбитали, содержащие валентные электроны, способны участвовать в образовании химических связей. Тип гибридизации центрального атома обуславливает геометрию многоатомной молекулы. Центральным атомом в молекуле метана СH4 является углерод, тип гибридизации орбиталей его валентных электронов sp3, такой тип гибридизации всегда предполагает тетраэдрическую форму. При sp2-гибридизации молекулы имеют треугольную форму. Типу гибридизации sp обуславливает линейную или угловую геометрию. dsp2-гибридизация приводит к квадратной форме, а sp3d2-гибридизация — к октаэдрической. Элементарная физика2.1 Полярные и неполярные молекулыДиэлектриками (или изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Bce вещества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Однако вещества, называемые диэлектриками, проводят ток Ecли диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Чтобы понять, почему это происходит, нужно учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом +q, находящимся в центре «тяжести» положительных зарядов, а заряд всех электронов – суммарным отрицательным зарядом –q, находящимся в центре «тяжести» отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом, определяемым формулой (7.1) У симметричных молекул У несимметричных молекул Под действием внешнего электрического поля заряды в неполярной молекуле смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные против поля. B результате молекула приобретает дипольный момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряженности поля. B рационализованной системе коэффициент пропорциональности записывают в виде Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды молекулы были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому говорят, что неполярная молекула ведет себя во внешнем поле как упругий диполь. Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля. На величину дипольного момента внешнее поле практически не влияет. Следовательно, полярная молекула ведет себя во внешнем поле как жесткий диполь. К диэлектрикам относятся еще и вещества (NaCl, KCl, KBr, …), молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов. Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей. Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации: электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит; ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура; ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов. |