Атом, молекула, хімічний зв'язок

Всяка речовина не є чимось суцільним, а складається з окремих дуже маленьких часток. Відмінності між речовинами зумовлені відмінністю між їх частками; частинки однієї речовини однакові, частинки різних речовин різні. За всіх умов частинки речовини знаходяться в русі; чим вище температура тіла, тим інтенсивніший цей рух. Для більшості речовин частинки являють собою молекули. Молекули в свою чергу, складаються з атомів. Молекула – найменша частка речовини, що володіє його хімічними властивостями. Атом – найменша частка хімічного елемента, що володіє його хімічними властивостями. До складу молекули може входити різне число атомів. При цьому атоми можуть з'єднуватися один з одним не тільки в різних співвідношеннях, але й різним чином. Тому при порівняно невеликому числі хімічних елементів число різних речовин дуже велике. Атом, вступивши у взаємодію з атомами іншої простої речовини, порушує свою стабільну будова і втрачає хімічні властивості вихідної простої речовини. Він утворює з іншими атомами молекулу нової хімічної речовини з новим комплексом хімічних та фізичних властивостей. Молекули складних речовин складаються з різних атомів, що вступили в хімічну взаємодію. Молекули простих речовин складаються виключно з атомів одного хімічного елементу і також взаємодіють між собою. Не у всіх випадках частинки, що утворюють речовину, представляють собою молекули. Багато речовин у твердому і рідкому стані, наприклад, більшість солей, мають не молекулярну, а іонну структуру. Багато простих речовин мають атомну будову, тобто складаються не з молекул, а з атомів.

До таких простих речовин відносяться інертні гази і метали. У речовинах, що мають іонну або атомну будову, носієм хімічних властивостей є не молекули, а ті комбінації іонів і атомів, які утворює дана речовина. До утворення стійких багатоатомних систем (молекул, молекулярних іонів, кристалів) призводить хімічний зв'язок між атомами, який може виникати при їх взаємодії. Атом являє собою складну систему з негативно заряджених електронів і позитивно зарядженого ядра. Завдяки взаємодії електричних полів, які створюються електронами і ядрами атомів, що беруть участь в утворенні молекули або кристала, виникає хімічний зв'язок [1,2].

Ковалентний хімічний зв'язок утворюється двома електронами, причому ця електронна пара належить двом атомам. Утворення хімічного зв'язку між атомами є результатом взаємопроникнення («перекривання») електронних хмар, яке відбувається при зближенні взаємодіючих атомів. Внаслідок такого взаємопроникнення щільність негативного електричного заряду в між'ядерному просторі зростає. Позитивно заряджені ядра атомів притягуються до області перекривання електронних хмар, що і призводить до утворення стійкої молекули. Ковалентний зв'язок тим міцніше, чим більшою мірою перекриваються електронні хмари. Якщо двохатомна молекула складається з атомів одного і того ж елемента, як, наприклад, молекули Н₂, Сl₂ і т.п., то кожна електронна хмара, що утворена спільною парою електронів і здійснює ковалентний зв'язок, розподіляється в просторі симетрично щодо ядер обох атомів. У подібному випадку ковалентний зв'язок називається неполярним. Якщо двохатомна молекула складається з атомів різних елементів, то загальна електронна хмара зміщена у бік одного з атомів, так що виникає асиметрія в розподілі заряду. У таких випадках ковалентний зв'язок називається полярним. Наприклад, в молекулі НСl загальна електронна пара зміщена в бік атома хлору. Отже, молекула хлористого водню є полярною молекулою.

Полярність молекул має вплив на властивості утворених ними речовин. Речовини, що утворені полярними молекулами, володіють, як правило, більш високими температурами плавлення і кипіння, ніж речовини, молекули яких неполярні.

Іонний зв'язок здійснюється в результаті взаємного електростатичного притягнення протилежно заряджених іонів. Під час хімічних реакцій атоми приєднують електрони атомів інших елементів або віддають електрони іншим атомам. Атоми, які віддали частину електронів, набувають позитивний заряд і стають позитивно зарядженими іонами. Атоми, що приєднали електрони, перетворюються в негативно заряджені іони. Різнойменно заряджені іони утримуються один біля одного силами електростатичного притягнення.

Електричне поле іона має сферичну симетрію і однаково убуває з відстанню в будь-якому напрямку. Тому два різнойменних іона, притягнувшись один до одного, зберігають здатність електростатично взаємодіяти з іншими іонами. Даний іон може координувати навколо себе ще деяке число іонів протилежного знака. Іонні молекули здатні з'єднуватися один з одним. Так, кристал хлориду натрію представляє собою поєднання величезної кількості іонів Na⁺ і Сl^-, певним чином орієнтованих відносно один одного.

Речовини з іонним зв'язком у молекулі характеризуються високими температурами плавлення і кипіння, в розплавленому стані та в розчинах вони дисоціюють на іони, внаслідок чого проводять електричний струм.

Металічний зв'язок – це зв'язок, в якому електрони кожного окремого атома належать усім атомам, що перебувають у контакті. При цьому валентні електрони здатні вільно переміщатися в об'ємі кристала. Металічний зв'язок характерний для металів, їхніх сплавів та інтерметалічних сполук. Металевий стан виникає в комплексі атомів, коли при їх зближенні зовнішні електрони втрачають зв'язок з окремими атомами, стають загальними, тобто колективізуються і вільно переміщуються між позитивно зарядженими періодично розташованими іонами. Стійкість металу, що представляє собою, таким чином, іонно-електронну систему визначається електричним притягненням між позитивно зарядженими іонами і узагальненими електронами. Така взаємодія між іонним скелетом і електронним газом отримала назву металічного зв'язку. Сила зв'язку в металах визначається силами відштовхування і силами притягнення між іонами і електронами і не має різко вираженого спрямованого характеру. Атоми в металі розташовуються закономірно, утворюючи правильну кристалічну гратку, що відповідає мінімальній енергії взаємодії атомів.

Специфічними властивостями металевого зв'язку пояснюються характерні властивості металів. Висока електропровідність металів пояснюється присутністю в них вільних електронів, які переміщуються в потенційному полі гратки. З підвищенням температури посилюються коливання іонів (атомів), що ускладнює рух електронів, в результаті чого електроопір зростає. При низьких температурах коливальний рух іонів (атомів) сильно зменшується і електропровідність зростає.

Висока пластичність металів пояснюється періодичністю їх атомної структури і відсутністю спрямованості металевого зв'язку. При механічній дії на тверде тіло окремі шари кристалічної решітки зміщуються відносно один одного. У кристалах з атомною структурою це призводить до розриву ковалентних зв'язків між атомами, що належать різним шарам, і кристал руйнується. У кристалах з іонною структурою при взаємному зміщенні шарів неминуче створюється таке положення, при якому поряд виявляються однойменно заряджені іони; при цьому виникають сили електростатичного відштовхування, і кристал також руйнується. У разі ж металу при зміщенні окремих шарів його кристалічної гратки відбувається лише певний перерозподіл електронного газу, що зв'язує атоми металу одне з одним, але розриву хімічних зв'язків не відбувається – метал деформується, не руйнуючись [1,2].

Фазовий стан речовини

Досліджувану речовину або сукупність речовин прийнято називати системою. При цьому системі протиставляється зовнішнє середовище – речовини, що оточують систему. Стан системи, в якій вона самочинно приходить через досить великий проміжок часу при незмінних зовнішніх умовах, називають рівноважним. Розрізняють системи гомогенні, які складаються з однієї фази, та гетерогенні, які складаються з декількох фаз.

Фазою називається частина системи, що відокремлена від інших її частин поверхнею розділу, при переході через яку властивості змінюються стрибком. Фазою також називають однорідні складові частини системи, що мають однаковий склад, один і той же агрегатний стан і відокремлені від решти частин поверхнями розділу. Наприклад, однорідний чистий метал або сплав є однофазною (гомогенної) системою. Стан, коли одночасно присутні рідкий сплав (метал) і кристали, буде представляти двофазну (гетерогенну) систему. Різні фази мають різні упаковки молекул (для кристалічних фаз, різні кристалічні ґратки), і, отже, різні властивості (наприклад, значення коефіцієнта стисливості, коефіцієнта теплового розширення тощо).

Системою називають сукупність фаз, які перебувають у стані рівноваги. При зміні зовнішніх умов (температури, тиску, напруженості електричного поля та ін.) речовина може переходити з однієї фази в іншу. Такий перехід називають фазовим. До фазових переходів відносяться випаровування і конденсація, плавлення і затвердіння тощо. При фазових переходах стрибкоподібно змінюється ряд фізичних властивостей речовини (густина, концентрація компонентів та ін.) Залежно від фізичних умов, головним чином від температури і тиску, речовини можуть існувати у твердому, рідкому і газоподібному стані. Ці стани речовини називають агрегатними [2,3].

Газ і рідина

Газоподібний стан речовини характеризується порівняно малими силами міжмолекулярної взаємодії. Молекули газів знаходяться на великих відстанях один від одного, тому гази мають велику стискальність. Їх молекули знаходяться в постійному хаотичному русі, що пояснює здатність газів рівномірно заповнювати весь наданий об'єм, набуваючи об’єм і форму посудини, в якій вони знаходяться. Температура речовини залежить від кінетичної енергії її молекул, тому, розширюючись, газ охолоджується. При досить сильному стисненні гази перетворюються в рідини. Однак при температурах вище деякої критичної стиснення – зрідження газу за допомогою одного тільки збільшення тиску виявляється неможливим. Тому для зрідження газів використовують ефект охолодження при одночасному розширенні без теплообміну з навколишнім середовищем.

Рідини за своїми властивостями займають проміжне положення між газами і твердими речовинами. Чим вище температура, тим більше властивості рідин наближаються до властивостей газів, і, навпаки, чим нижче температура, тим більше проявляються ті властивості рідин, які наближають їх до твердих речовин. Рідини зазвичай не мають власної форми, а набувають форму посудини, в якій знаходяться; тільки в дуже невеликих кількостях вони здатні зберігати форму краплі. На відміну від газів рідини при даній температурі займають абсолютно певний об'єм. Це пояснюється наявністю помітних сил взаємного притягнення окремих молекул рідини. Молекули в рідинах розміщуються значно щільніше, ніж у газах, цим і пояснюється дуже мала стисливість всіх рідин. При охолодженні рух молекул рідини сповільнюється, потім вони фіксуються в певних положеннях, а рідина перетворюється на тверде тіло [4,5].

Тверде тіло

Тверді речовини побудовані з молекул, атомів та іонів, що міцно пов'язані між собою. З цієї причини вони мають певний об'єм і форму. Частинки твердої речовини не можуть вільно переміщуватися, вони зберігають взаємне розташування, здійснюючи коливання близько центрів рівноваги, тому для зміни об'єму і форми твердої речовини потрібне зусилля.

Розрізняють два стани твердих речовин: кристалічний і а морфний.

Кристали кожної кристалічної речовини мають характерну для них форму. Так, кристали хлориду натрію мають форму куба, нітрату калію – призми і т.д. У кристалічних речовинах частинки, з яких побудовані кристали, розміщені в просторі в певному порядку і утворюють просторову гратку. Залежно від характеру частинок, що перебувають у вузлах просторової гратки, розрізняють молекулярні, атомні, іонні та металеві гратки.

У вузлах молекулярної гратки знаходяться полярні або неполярні молекули, які зв'язані між собою слабкими силами притягнення. Молекулярну гратку мають більшість органічних речовин, а також ряд неорганічних сполук, наприклад, вода, аміак. Речовини з молекулярними гратками мають порівняно невисоку температуру плавлення.

Атомна гратка характеризується тим, що в її вузлах розміщені атоми, які пов'язані між собою спільними електронними парами. Речовини з атомними гратками (наприклад, алмаз) дуже міцні і мають дуже високу температуру плавлення.

У вузлах іонної гратки розташовані позитивно і негативно заряджені іони, що чергуються один з одним. Іонні кристалічні гратки характерні для більшості солей, оксидів і основ.

У вузлах металічної гратки поряд з нейтральними атомами розміщуються позитивно заряджені іони даного металу. Між ними вільно переміщаються електрони – так званий електронний газ. Така будова металів обумовлює їх загальні властивості: металевий блиск, електро- і теплопровідність, ковкість та ін.

Кристалічна гратка руйнується при плавленні, випаровуванні або розчинені речовини.

Аморфні речовини являють собою агрегати безладно розташованих молекул. На відміну від кристалічних речовин, що мають цілком певну температуру плавлення, аморфні речовини плавляться в широкому діапазоні температур. При нагріванні вони поступово розм'якшуються, починають розтікатися і стають рідкими. В залежності від умов, за яких відбувається перехід з розплавленого стану в твердий, одну й ту ж саму речовину можна отримати як в кристалічному, так і в аморфному станах [4-6].

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: