Полярность и межмолекулярные взаимодействия
Дипольный момент и форма молекулы
Полярная химическая связь представляет собой диполь: у одного её конца возникает частичный положительный заряд, у другого — частичный отрицательный. Дипольный момент такого диполя выражают формулой \(\mu = q\cdot l\), где \(q\) — величина заряда, а \(l\) — расстояние между зарядами. Дипольный момент измеряют в дебаях (1 Д \(= 3{,}34\cdot10^{-30}\) Кл·м).
Будет ли полярной вся молекула, зависит не только от полярности связей, но и от её формы. Дипольный момент молекулы находят как векторную сумму вкладов связей и неподелённых электронных пар. Поэтому в симметричной молекуле полярные связи могут быть расположены так, что их дипольные моменты взаимно компенсируются.
| Молекула | \(\mu\), Д | Причина |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\), \(\ce{BF3}\), \(\ce{CCl4}\), \(\ce{SF6}\), \(\ce{XeF2}\) | 0 | Благодаря симметрии вклады полярных связей взаимно компенсируются. |
| \(\ce{H2O}\) | 1,85 | Молекула имеет угловую форму, поэтому вклады связей не компенсируются. |
| \(\ce{NH3}\) | 1,47 | Молекула имеет форму пирамиды; вклад неподелённой пары усиливает дипольный момент. |
| \(\ce{NF3}\) | 0,23 | Вклад неподелённой пары частично компенсирует вклады связей N–F. |
| \(\ce{SO2}\) | 1,63 | Молекула имеет угловую форму. |
| \(\ce{O3}\) | 0,53 | Молекула имеет угловую форму и полярна, хотя все её атомы — кислород. |
Особенно показательно сравнение \(\ce{NH3}\) и \(\ce{NF3}\). Связи N–F полярнее связей N–H, однако дипольный момент \(\ce{NF3}\) примерно в шесть раз меньше, чем у аммиака. В \(\ce{NH3}\) вклады связей и неподелённой пары направлены в одну сторону, а в \(\ce{NF3}\) — навстречу друг другу и частично компенсируются.
history_eduДебай и полярные молекулы
В 1912 году Петер Дебай объяснил, как постоянный дипольный момент полярных молекул влияет на зависимость диэлектрической проницаемости вещества от температуры: тепловое движение изменяет ориентацию молекул. Измерения этой зависимости впервые помогли определить форму многих молекул. Так, нулевой дипольный момент \(\ce{CO2}\) согласуется с линейным строением её молекулы. В 1936 году Дебай получил Нобелевскую премию по химии; его именем названа единица дипольного момента.
Водородная связь
Форма молекулы влияет на притяжение между молекулами, а оно, в свою очередь, отражается на температуре кипения. Вода кипит при 100 °C, тогда как сероводород, селеноводород и теллуроводород — при −60, −41 и −2 °C соответственно. Если продолжить закономерность, наблюдаемую для этих водородных соединений, температура кипения воды составила бы около −80 °C. При такой температуре привычные условия жизни на Земле были бы невозможны.
Причина аномалии — водородная связь. Она возникает, когда атом водорода, связанный с очень электроотрицательным атомом F, O или N, несёт значительный частичный положительный заряд и притягивается к неподелённой электронной паре электроотрицательного атома соседней молекулы. Так взаимодействуют молекулы воды: O–H···O. Обычная энергия водородной связи составляет 5–40 кДж/моль. Часто такая связь в 10–20 раз слабее ковалентной, но достаточно прочна, чтобы заметно повышать температуру кипения. У метана и его аналогов водородных связей нет, поэтому подобной аномалии в их ряду не наблюдается.
scienceВодородные связи в химии
- \(\ce{KF + HF -> K[HF2]}\) — в ионе \(\ce{[F-H-F]-}\) атом водорода находится посередине между атомами фтора; энергия этой особенно прочной водородной связи составляет около 160 кДж/моль.
- \(\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}\) — аммиак образует водородные связи с водой, а часть растворённого аммиака реагирует с ней с образованием ионов.
- \(\ce{2HF <=> (HF)2}\) — фтороводород образует димеры; в газовой фазе также встречаются цепочки и кольца \(\ce{(HF)_n}\).
- \(\ce{H2SO4 + H2O -> H3O+ + HSO4-}\) — при разбавлении серной кислоты образуются гидратированные ионы и выделяется много теплоты.
auto_awesomeЛёд легче воды
Во льду каждая молекула воды образует четыре водородные связи. Благодаря им возникает тетраэдрическая сетка с пустотами. При плавлении эта сетка частично разрушается, молекулы располагаются плотнее, поэтому вода плотнее льда. Максимальной плотности вода достигает при 4 °C. Водоёмы замерзают сверху, а в глубоких водоёмах подо льдом сохраняется вода с температурой около 4 °C, в которой зимуют рыбы.
history_eduКто ввёл понятие водородной связи
В 1920 году понятие водородной связи ввели Уэнделл Латимер и Ворт Родебуш, молодые сотрудники Гилберта Льюиса в Беркли. Льюис сразу оценил их идею. В 1930-х годах Полинг сделал водородную связь одним из центральных понятий структурной химии: такие связи удерживают двойную спираль ДНК и вторичную структуру белков.
Дисперсионные силы и растворимость
Водородная связь объясняет свойства не всех веществ. Атомы благородных газов и молекулы галогенов неполярны, но и они притягиваются друг к другу и могут переходить в жидкое состояние. Причина состоит в том, что электронное облако частицы непрерывно меняет форму. В некоторый момент смещение электронов создаёт мгновенный диполь, который вызывает появление диполя у соседней частицы.
Возникающее притяжение обусловлено дисперсионными, или лондоновскими, силами. Их описал Фриц Лондон в 1930 году. Способность электронного облака смещаться под действием соседней частицы называют поляризуемостью. Чем больше электронов и чем крупнее частица, тем выше обычно её поляризуемость и сильнее дисперсионное притяжение. Эта закономерность проявляется в температурах кипения:
| 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 являются газами, бром — жидкостью, а иод — твёрдым веществом.
Межмолекулярное притяжение важно и для растворимости — способности вещества переходить в раствор. Общее правило формулируют так: «подобное растворяется в подобном». Полярные вещества обычно лучше растворяются в полярных растворителях, а неполярные — в неполярных. Например, в воде растворяется лишь 0,03 г иода на 100 г воды, зато иод хорошо растворяется в тетрахлорметане, образуя фиолетовый раствор. Он хорошо растворяется и в растворе иодида калия, но по другой причине: при этом образуется ион \(\ce{I3-}\).
scienceРастворение, которое сопровождается реакцией
- \(\ce{I2 + KI -> KI3}\) — в растворе Люголя иод связывается с иодидом и переходит в раствор в виде трииодида.
- \(\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HOCl}\) — при получении хлорной воды часть растворённого хлора реагирует с водой.
- \(\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}\) — растворённый хлороводород практически полностью реагирует с водой с образованием кислоты.
- \(\ce{NH3 + H2O <=> NH3*H2O}\) — запись гидрата условно отражает взаимодействие растворённого аммиака с водой, в том числе образование водородных связей.
auto_awesomeФонтан из колбы
При 20 °C в литре воды растворяется около 700 литров аммиака или около 450 литров хлороводорода. Если в перевёрнутую колбу с аммиаком впрыснуть каплю воды, газ быстро растворится и давление в колбе упадёт. Тогда вода из чашки устремится в колбу фонтаном. Если в воду добавить фенолфталеин, фонтан будет розовым.
push_pinГлавное
Дипольный момент молекулы зависит от полярности связей и их расположения: в симметричных \(\ce{CO2}\), \(\ce{BF3}\), \(\ce{CCl4}\) и \(\ce{SF6}\) вклады связей компенсируются, а угловые и пирамидальные молекулы могут быть полярными. Водородные связи, возникающие при взаимодействии атома H, связанного с F, O или N, с неподелённой парой соседней молекулы, повышают температуры кипения \(\ce{HF}\), \(\ce{H2O}\) и \(\ce{NH3}\). Дисперсионные силы обычно усиливаются с ростом числа электронов и размера частиц; поэтому фтор и хлор являются газами, бром — жидкостью, а иод — твёрдым веществом. Правило «подобное растворяется в подобном» объясняет слабую растворимость иода в воде; в растворе иодида его растворимость повышается благодаря образованию \(\ce{I3-}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.