Kaip žinote, chemija tiria medžiagų struktūrą ir savybes, taip pat jų tarpusavio transformacijas. Apibūdinant cheminius junginius svarbią vietą užima klausimas, iš kokių dalelių jie susideda. Tai gali būti atomai, jonai ar molekulės. Kietose medžiagose jie patenka į kristalų gardelių mazgus. Molekulinėje struktūroje yra palyginti nedaug kietos, skystos ir dujinės būsenos junginių.
Straipsnyje pateiksime medžiagų, kurioms būdingos molekulinės kristalinės gardelės, pavyzdžius, taip pat apsvarstysime keletą kietosioms medžiagoms, skysčiams ir dujoms būdingų tarpmolekulinių sąveikų tipų.
Kodėl reikia žinoti cheminių junginių struktūrą
Kiekvienoje žmogaus žinių šakoje galima išskirti grupę pagrindinių dėsnių, kuriais grindžiama tolesnė mokslo raida. chemijoje– tokia M. V. teorija. Lomonosovas ir J. D altonas, aiškindami materijos atominę ir molekulinę sandarą. Kaip nustatė mokslininkai, žinant vidinę sandarą, galima numatyti ir fizikines, ir chemines junginio savybes. Visas didžiulis žmogaus dirbtinai susintetintų organinių medžiagų kiekis (plastikai, vaistai, pesticidai ir kt.) turi iš anksto nustatytas charakteristikas ir savybes, kurios yra vertingiausios jo pramonės ir buities reikmėms.
Atliekant kontrolinius skyrius, testus ir egzaminus chemijos kursuose, reikalingos žinios apie junginių struktūros ir savybių ypatybes. Pavyzdžiui, siūlomame medžiagų sąraše raskite teisingus atsakymus: kokia medžiaga turi molekulinę struktūrą?
- Cinkas.
- Manio oksidas.
- Deimantas.
- Naftalenas.
Teisingas atsakymas: cinkas, kaip ir naftalenas, turi molekulinę struktūrą.
Tarpmolekulinės sąveikos jėgos
Eksperimentiškai nustatyta, kad molekulinė struktūra būdinga žemos lydymosi temperatūros ir mažo kietumo medžiagoms. Kaip galima paaiškinti šių junginių kristalinių gardelių trapumą? Kaip paaiškėjo, viskas priklauso nuo dalelių, esančių jų mazguose, bendro poveikio stiprumo. Jis turi elektrinį pobūdį ir vadinamas tarpmolekuline sąveika arba van der Waals jėgomis, kurios yra pagrįstos priešingai įkrautų molekulių – dipolių – įtaka viena kitai. Paaiškėjo, kad yra keli jų formavimo mechanizmai,priklausomai nuo pačios medžiagos pobūdžio.
Rūgštys kaip molekulinės sudėties junginiai
Daugelio rūgščių, tiek organinių, tiek neorganinių, tirpaluose yra polinių dalelių, kurios viena kitos atžvilgiu yra nukreiptos priešingai įkrautais poliais. Pavyzdžiui, druskos rūgšties HCI tirpale yra dipolių, tarp kurių vyksta orientacinė sąveika. Didėjant temperatūrai, vandenilio chlorido, vandenilio bromo (HBr) ir kitų halogenų turinčių rūgščių molekulių orientacinis efektas mažėja, nes dalelių terminis judėjimas trukdo jų tarpusavio traukai. Be minėtų medžiagų, molekulinę struktūrą turi sacharozė, naftalenas, etanolis ir kiti organiniai junginiai.
Kaip susidaro indukuotos įkrautos dalelės
Anksčiau mes svarstėme vieną iš Van der Waalso jėgų veikimo mechanizmų, vadinamų orientacine sąveika. Be organinių medžiagų ir halogenų turinčių rūgščių, vandenilio oksidas, vanduo, turi molekulinę struktūrą. Medžiagose, susidedančiose iš nepolinių, bet linkusių formuotis dipoliams, molekulėms, pvz., anglies dioksidui CO2, galima pastebėti indukuotų įkrautų dalelių – dipolių atsiradimą. Svarbiausia jų savybė yra gebėjimas pritraukti vienas kitą dėl atsirandančių elektrostatinių traukos jėgų.
Dujų molekulinė struktūra
Ankstesnėje paantraštėje paminėjome junginį anglies dioksidą. Kiekvienas jo atomas sukuria aplink save elektrinį lauką, kuris indukuojapoliarizacija vienam šalia esančios anglies dioksido molekulės atomui. Jis virsta dipoliu, kuris, savo ruožtu, gali poliarizuoti kitas CO2 daleles. Dėl to molekulės traukia viena kitą. Indukcinė sąveika taip pat gali būti stebima medžiagose, susidedančiose iš polinių dalelių, tačiau šiuo atveju ji yra daug silpnesnė nei orientacinės van der Waals jėgos.
Dispersijos sąveika
Tiek patys atomai, tiek juos sudarančios dalelės (branduolys, elektronai) gali nuolat suktis ir svyruoti. Tai veda prie dipolių atsiradimo. Remiantis kvantinės mechanikos tyrimais, momentinės dvigubai įkrautos dalelės atsiranda tiek kietose medžiagose, tiek skysčiuose sinchroniškai, todėl šalia esančių molekulių galai pasirodo esantys su priešingais poliais. Tai sukelia jų elektrostatinį trauką, vadinamą dispersine sąveika. Jis būdingas visoms medžiagoms, išskyrus tas, kurios yra dujinės būsenos ir kurių molekulės yra monoatominės. Tačiau van der Waals jėgos gali atsirasti, pavyzdžiui, inertinėms dujoms (heliui, neonui) pereinant į skystąją fazę esant žemai temperatūrai. Taigi kūnų ar skysčių molekulinė struktūra lemia jų gebėjimą formuoti įvairių tipų tarpmolekulinę sąveiką: orientacinę, indukuotą ar dispersinę.
Kas yra sublimacija
Kietos medžiagos, tokios kaip jodo kristalai, molekulinė struktūra,sukelia tokį įdomų fizikinį reiškinį kaip sublimacija – I2 molekulių lakavimas violetinių garų pavidalu. Jis atsiranda nuo kietos fazės medžiagos paviršiaus, apeinant skystąją būseną.
Šis vizualiai įspūdingas eksperimentas dažnai atliekamas mokyklų chemijos klasėse, siekiant iliustruoti molekulinių kristalų gardelių struktūrines ypatybes ir susijusias junginių savybes. Paprastai tai yra mažas kietumas, žemos lydymosi ir virimo temperatūros, prastas šilumos ir elektros laidumas bei lakumas.
Praktinis žinių apie medžiagų struktūrą panaudojimas
Kaip matėme, galima nustatyti tam tikrą ryšį tarp kristalinės gardelės tipo, struktūros ir junginio savybių. Todėl, jei žinomos medžiagos charakteristikos, tai gana lengva nuspėti jos struktūros ir dalelių sudėties ypatumus: atomus, molekules ar jonus. Gauta informacija taip pat gali būti naudinga, jei atliekant chemijos užduotis reikia teisingai parinkti medžiagas, turinčias molekulinę struktūrą iš tam tikros junginių grupės, neįskaitant tų, kurios turi atominių arba joninių gardelių tipus.
Apibendrinant galime daryti tokią išvadą: kieto kūno molekulinė struktūra ir erdvinė kristalinių gardelių struktūra bei poliarizuotų dalelių išsidėstymas skysčiuose ir dujose visiškai atsako už jo fizines ir chemines savybes. Teoriškai kalbant apie junginių savybes,turinčių dipolių priklauso nuo tarpmolekulinės sąveikos jėgų dydžio. Kuo didesnis molekulių poliškumas ir mažesnis jas sudarančių atomų spindulys, tuo stipresnės tarp jų atsiranda orientacinės jėgos. Priešingai, kuo didesni atomai sudaro molekulę, tuo didesnis jos dipolio momentas, taigi, tuo reikšmingesnės dispersijos jėgos. Taigi kietosios medžiagos molekulinė struktūra taip pat turi įtakos jos dalelių – dipolių – sąveikos jėgoms.
