כפי שאתה יודע, כימיה חוקרת את המבנה והתכונות של חומרים, כמו גם את הטרנספורמציות ההדדיות שלהם. מקום חשוב באפיון תרכובות כימיות תופסת השאלה מאיזה סוג של חלקיקים הם מורכבים. זה יכול להיות אטומים, יונים או מולקולות. במוצקים, הם נכנסים לצמתים של סריג קריסטל. למבנה המולקולרי יש מספר קטן יחסית של תרכובות במצב מוצק, נוזלי וגזי.
במאמר שלנו, נביא דוגמאות לחומרים המאופיינים בסריגי גביש מולקולריים, וכן נשקול כמה סוגים של אינטראקציות בין-מולקולריות האופייניות למוצקים, נוזלים וגזים.
למה אתה צריך לדעת את המבנה של תרכובות כימיות
בכל ענף של ידע אנושי, אפשר לייחד קבוצה של חוקי יסוד שעליהם מתבססת המשך ההתפתחות של המדע. בכימיה- זו התיאוריה של M. V. Lomonosov ו-J. D alton, מסבירים את המבנה האטומי והמולקולרי של החומר. כפי שקבעו מדענים, בהכרת המבנה הפנימי, ניתן לחזות הן את התכונות הפיזיקליות והן הכימיות של התרכובת. לכל הכמות העצומה של חומרים אורגניים המסונתזים באופן מלאכותי על ידי האדם (פלסטיק, תרופות, חומרי הדברה וכו') יש מאפיינים ומאפיינים קבועים מראש שהם בעלי הערך הרב ביותר לצרכיו התעשייתיים והביתיים.
ידע על תכונות המבנה והתכונות של תרכובות מבוקש בעת עריכת קטעי בקרה, מבחנים ובחינות במהלך הכימיה. לדוגמה, ברשימת החומרים המוצעת, מצא את התשובות הנכונות: לאיזה חומר יש מבנה מולקולרי?
- Zinc.
- תחמוצת מגנזיום.
- Diamond.
- נפתלין.
התשובה הנכונה היא: לאבץ יש מבנה מולקולרי, כמו גם לנפטלין.
כוחות של אינטראקציה בין-מולקולרית
נקבע בניסוי שהמבנה המולקולרי אופייני לחומרים בעלי נקודות התכה נמוכות וקשיות נמוכה. איך אפשר להסביר את השבריריות של סריגי הגביש של התרכובות הללו? כפי שהתברר, הכל תלוי בעוצמת ההשפעה המשותפת של החלקיקים הממוקמים בצמתים שלהם. יש לו אופי חשמלי והוא נקרא אינטראקציה בין-מולקולרית או כוחות ואן דר ואלס, המבוססים על השפעת מולקולות הטעונות הפוך - דיפולים - זו על זו. התברר שיש כמה מנגנונים להיווצרותם,תלוי באופי החומר עצמו.
חומצות כתרכובות בהרכב מולקולרי
פתרונות של רוב החומצות, הן אורגניות והן לא אורגניות, מכילים חלקיקים קוטביים המכוונים זה לזה ביחס לקטבים בעלי מטען הפוך. לדוגמה, בתמיסה של חומצה הידרוכלורית HCI יש דיפולים, שביניהם מתרחשות אינטראקציות אוריינטציה. עם עלייה בטמפרטורה, למולקולות של חומצות הידרוכלוריות, הידברומית (HBr) וחומצות המכילות הלוגן אחרות יש ירידה בהשפעת האוריינטציה, שכן התנועה התרמית של החלקיקים מפריעה למשיכתם ההדדית. בנוסף לחומרים הנ ל, לסוכרוז, נפתלין, אתנול ותרכובות אורגניות אחרות יש מבנה מולקולרי.
איך מיוצרים חלקיקים טעונים מושרים
קודם לכן, שקלנו את אחד ממנגנוני הפעולה של כוחות ואן דר ואלס, הנקרא אינטראקציה אוריינטציונית. בנוסף לחומרים אורגניים וחומצות המכילות הלוגן, תחמוצת מימן, מים, יש מבנה מולקולרי. בחומרים המורכבים ממולקולות לא קוטביות, אך מועדות להיווצרות של דיפולים, כמו פחמן דו חמצני CO2, ניתן לצפות בהופעה של חלקיקים טעונים מושרים - דיפולים. התכונה החשובה ביותר שלהם היא היכולת למשוך זה את זה עקב הופעת כוחות משיכה אלקטרוסטטיים.
מבנה מולקולרי של גז
בכותרת המשנה הקודמת, הזכרנו את התרכובת פחמן דו חמצני. כל אחד מהאטומים שלו יוצר שדה חשמלי סביב עצמו, אשר גורםקיטוב לכל אטום של מולקולת פחמן דו חמצני קרובה. הוא משתנה לדיפול, אשר בתורו הופך להיות מסוגל לקטב חלקיקי CO2 אחרים. כתוצאה מכך, המולקולות נמשכות זו לזו. ניתן לראות את האינטראקציה האינדוקטיבית גם בחומרים המורכבים מחלקיקים קוטביים, אולם במקרה זה היא חלשה בהרבה מכוחות ואן דר ואלס הכיוון.
אינטראקציית פיזור
גם האטומים עצמם וגם החלקיקים המרכיבים אותם (גרעין, אלקטרונים) מסוגלים לתנועה סיבובית ותנודה מתמשכת. זה מוביל להופעת דיפולים. על פי מחקר מכניקת הקוונטים, הופעת חלקיקים מיידיים בעלי מטען כפול מתרחשת הן במוצקים והן בנוזל בצורה סינכרונית, כך שקצוות המולקולות הממוקמות בסמוך מתבררות עם קטבים מנוגדים. זה מוביל למשיכה האלקטרוסטטית שלהם, הנקראת אינטראקציית פיזור. הוא אופייני לכל החומרים, מלבד אלו שנמצאים במצב גזי, והמולקולות שלהם מונוטומיות. עם זאת, כוחות ואן דר ואלס יכולים להתעורר, למשל, במהלך המעבר של גזים אינרטיים (הליום, ניאון) לשלב הנוזלי בטמפרטורות נמוכות. לפיכך, המבנה המולקולרי של גופים או נוזלים קובע את יכולתם ליצור סוגים שונים של אינטראקציה בין-מולקולרית: כיוון, מושרה או פיזור.
מהי סובלימציה
מבנה מולקולרי של מוצק, כגון גבישי יוד,גורם לתופעה פיזיקלית מעניינת כמו סובלימציה - נידוף של מולקולות I2 בצורה של אדים סגולים. זה מתרחש מפני השטח של חומר בשלב המוצק, עוקף את המצב הנוזלי.
ניסוי מרהיב חזותי זה נעשה לעתים קרובות בכיתות כימיה בבית הספר כדי להמחיש את התכונות המבניות של סריגי גביש מולקולריים ותכונות קשורות של תרכובות. בדרך כלל אלו קשיות נמוכה, נקודות התכה ורתיחה נמוכות, מוליכות תרמית וחשמלית גרועה ותנודתיות.
שימוש מעשי בידע על מבנה החומרים
כפי שראינו, ניתן לקבוע מתאם מסוים בין סוג סריג הגביש, המבנה והמאפיינים של התרכובת. לכן, אם המאפיינים של חומר ידועים, אז זה די קל לחזות את תכונות המבנה שלו והרכב החלקיקים: אטומים, מולקולות או יונים. המידע המתקבל יכול להיות שימושי גם אם במשימות בכימיה יש צורך לבחור נכון חומרים בעלי מבנה מולקולרי מקבוצה מסוימת של תרכובות, למעט אלו שיש להם סוגים אטומיים או יוניים של סריג.
לסיכום, אנו יכולים להסיק את הדברים הבאים: המבנה המולקולרי של גוף מוצק, והמבנה המרחבי שלו של סריגי גביש, וסידור החלקיקים המקוטבים בנוזלים ובגזים אחראים במלואם לתכונות הפיזיקליות והכימיות שלו. במונחים תיאורטיים, התכונות של תרכובות,המכילים דיפולים תלויים בעוצמת הכוחות של אינטראקציה בין מולקולרית. ככל שהקוטביות של המולקולות גבוהה יותר וככל שרדיוס האטומים המרכיבים אותן קטן יותר, כך כוחות האוריינטציה הנוצרים ביניהן חזקים יותר. להיפך, ככל שהאטומים המרכיבים את המולקולה גדולים יותר, כך מומנט הדיפול שלה גבוה יותר, ולכן, כוחות הפיזור משמעותיים יותר. לפיכך, המבנה המולקולרי של מוצק משפיע גם על כוחות האינטראקציה בין חלקיקיו - דיפולים.
