Полярность и межмолекулярные взаимодействия
Дипольный момент и форма молекулы
Полярная связь — маленький диполь: на одном конце частичный положительный заряд, на другом — отрицательный. Дипольный момент \(\mu = q\cdot l\) измеряют в дебаях (1 Д \(= 3{,}34\cdot10^{-30}\) Кл·м). Дипольный момент молекулы — векторная сумма диполей всех связей и неподелённых пар.
| Молекула | \(\mu\), Д | Почему |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\), \(\ce{BF3}\), \(\ce{CCl4}\), \(\ce{SF6}\), \(\ce{XeF2}\) | 0 | симметрия: диполи связей гасятся |
| \(\ce{H2O}\) | 1,85 | угловая молекула |
| \(\ce{NH3}\) | 1,47 | пирамида, пара усиливает диполь |
| \(\ce{NF3}\) | 0,23 | диполи связей N–F и неподелённой пары направлены навстречу |
| \(\ce{SO2}\) | 1,63 | угловая |
| \(\ce{O3}\) | 0,53 | угловая, хотя все атомы — кислород |
Самый любопытный пример — \(\ce{NF3}\). Связи N–F полярнее, чем N–H, но дипольный момент в шесть раз меньше, чем у аммиака: в \(\ce{NH3}\) диполи связей и неподелённой пары смотрят в одну сторону, а в \(\ce{NF3}\) — в противоположные.
history_eduДебай и полярные молекулы
Петер Дебай в 1912 году объяснил, почему диэлектрическая проницаемость одних веществ зависит от температуры, а других — нет: у полярных молекул есть постоянный дипольный момент, который тепловое движение разворачивает. Измеряя эту зависимость, впервые определили форму многих молекул: равный нулю момент \(\ce{CO2}\) доказал, что молекула линейна. Нобелевская премия по химии 1936 года, единица дипольного момента носит имя Дебая.
Водородная связь
Вода кипит при 100 °C, а её «родственники» по группе — сероводород, селеноводород, теллуроводород — при −60, −41 и −2 °C. Если продолжить закономерность вверх, вода должна была бы кипеть около −80 °C, и жизни на Земле не было бы.
Причина — водородная связь. Атом водорода, связанный с очень электроотрицательным атомом (F, O, N), почти лишён электронов и притягивает неподелённую пару электроотрицательного атома соседней молекулы: O–H···O. Энергия водородной связи — 5–40 кДж/моль: в 10–20 раз слабее ковалентной, но сильнее прочих межмолекулярных сил. У метана и его аналогов водородных связей нет — и аномалии тоже.
scienceВодородные связи в химии
- \(\ce{KF + HF -> K[HF2]}\) — в ионе \(\ce{[F-H-F]-}\) водородная связь настолько сильна (около 160 кДж/моль), что атом водорода стоит ровно посередине.
- \(\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}\) — аммиак растворяется, образуя водородные связи с водой, а малая часть — ионы.
- \(\ce{2HF <=> (HF)2}\) — фтороводород даже в газе частично существует в виде цепочек и колец \(\ce{(HF)_n}\).
- \(\ce{H2SO4 + H2O -> H3O+ + HSO4-}\) — разбавление серной кислоты сопровождается мощным разогревом: образуются гидратированные ионы.
auto_awesomeЛёд легче воды
Во льду каждая молекула воды образует четыре водородные связи и занимает место в ажурной тетраэдрической сетке с пустотами. При плавлении сетка частично рушится, молекулы упаковываются плотнее — вода плотнее льда, максимальная плотность у неё при 4 °C. Поэтому водоёмы замерзают сверху, а подо льдом рыбы зимуют в воде с температурой около 4 °C.
history_eduКто придумал водородную связь
Понятие ввели в 1920 году Уэнделл Латимер и Ворт Родебуш — молодые сотрудники Гилберта Льюиса в Беркли. Льюис сразу оценил идею, а Полинг в 1930-х годах сделал водородную связь одним из центральных понятий структурной химии: именно она удерживает двойную спираль ДНК и вторичную структуру белков.
Дисперсионные силы и растворимость
Почему благородные газы и галогены вообще сжижаются, если их молекулы неполярны? В каждый момент электронное облако атома чуть смещено, возникает мгновенный диполь, который наводит диполь у соседа, — и частицы слабо притягиваются. Это дисперсионные (лондоновские) силы, описанные Фрицем Лондоном в 1930 году. Они растут с числом электронов и размером частицы (её поляризуемостью):
| Вещество | He | Ne | Ar | Kr | Xe | F₂ | Cl₂ | Br₂ | I₂ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(t_\text{кип}\), °C | −269 | −246 | −186 | −153 | −108 | −188 | −34 | 59 | 184 |
Поэтому при комнатной температуре фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество.
Растворимость подчиняется правилу «подобное растворяется в подобном»: полярные вещества — в полярных растворителях, неполярные — в неполярных. Иод почти не растворяется в воде (0,03 г на 100 г), зато хорошо — в тетрахлорметане (фиолетовый раствор) и в растворе иодида калия, где образуется ион \(\ce{I3-}\).
scienceРастворение, которое сопровождается реакцией
- \(\ce{I2 + KI -> KI3}\) — «раствор Люголя»: иод переходит в раствор в виде трииодида.
- \(\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HOCl}\) — хлорная вода: часть хлора реагирует с водой.
- \(\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}\) — хлороводород растворяется полностью, образуя кислоту.
- \(\ce{NH3 + H2O <=> NH3*H2O}\) — аммиак образует гидрат за счёт водородных связей.
auto_awesomeФонтан из колбы
В литре воды при 20 °C растворяется около 700 литров аммиака и около 450 литров хлороводорода. Если в перевёрнутую колбу с аммиаком впрыснуть каплю воды, газ мгновенно растворится, давление упадёт, и вода из чашки ударит в колбу фонтаном — розовым, если в воду добавить фенолфталеин.
push_pinГлавное
Дипольный момент молекулы — векторная сумма диполей связей: симметричные \(\ce{CO2}\), \(\ce{BF3}\), \(\ce{CCl4}\), \(\ce{SF6}\) неполярны, угловые и пирамидальные молекулы полярны. Водородная связь (H при F, O, N и неподелённая пара соседней молекулы) делает аномально высокими температуры кипения \(\ce{HF}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{NH3}\). Дисперсионные силы растут с числом электронов: фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество. «Подобное растворяется в подобном»; иод плохо растворим в воде, но хорошо — в растворе иодида (\(\ce{I3-}\)).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.