Молекулярная химия

Возникший частичный положительный заряд  на атоме водорода позволяет ему  притягивать другую молекулу, также  содержащую электроотрицательный элемент, таким образом, основную долю в образование  Н-связи вносят электростатические взаимодействия.

В формировании Н-связи участвуют три атома, два  электроотрицательных (А и Б) и  находящийся между ними атом водорода Н, структура такой связи может  быть представлена следующим образом: Б···Нd+–Аd- (водородную связь обычно обозначают точечной линией). Атом А, химически связанный с Н, называют донором протона (лат. donare – дарить, жертвовать), а Б – его акцептором (лат. acceptor – приемщик). Чаще всего истинного «донорства» нет, и Н остается химически связанным с А.

23. Химическая связь взаимное притяжение атомов, приводящее к образованию молекул и кристаллов. Принято говорить, что в молекуле или в кристалле между соседними атомами существуют Х. с. Валентность атома (о чём подробнее сказано ниже) показывает число связей, образуемых данным атомом с соседними атомами [см. также Валентность]. Э. Франкленд в 1852 предложил концепцию, согласно которой каждый элемент образует соединения, связываясь с определённым числом эквивалентов др. элементов, при этом один эквивалент соответствует количеству, требуемому одной валентностью. Ф. А. Кекуле и А. В. Г. Кольбе в 1857 в соответствии с представлениями валентности выдвинули положение, что углерод обычно имеет валентность 4, образует 4 связи с др. атомами. А. С. Купер в 1858 указал, что атомы углерода, связываясь между собой, могут образовывать цепочки. В его записи химические формулы имели очень большое сходство с современными, связи изображались чёрточками, соответствующими валентным связям между атомами. Термин "химическое строение" впервые ввёл А. М. Бутлеров в 1861. Он подчёркивал, сколь существенно выражать строение единой формулой, показывающей, как в молекуле соединения каждый атом связан с др. атомами. Согласно Бутлерову, все свойства соединения предопределяются его молекулярным строением; он высказал уверенность, что точную структурную формулу можно установить по результатам изучения путей синтеза данного соединения. Следующий шаг, заключавшийся в приписывании молекулам пространственной трёхмерной структуры, был сделан в 1874 Я. Х. Вант-Гоффом и Ж. А. Ле Белем.

Валентность - это свойства атомов одного химического  элемента присоединять определённое число  атомов другого.

 Это  понятие было введено в химию  в 1853 г. английским химиком-органиком  Франклендом для обоснования количественных отнощений атомов элементов в химических соединениях. Развитие учения о валентности в большой степени связано с открытием Д.И. Менделеевым Периодического закона. Им была установлена связь между валентностью элемента и его положением в периодической системе, введено понятие о переменной валентности. Учение о строении атомов и молекул способствовало разработке электронной теории валентности.

 Для  расчётов, для составления формул  веществ неоходимо знать количественные соотношения атомов различных элементов, в которых они соединяются. Валентность показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента соединяется атом данного элемента.

 Одновалентными  считают все элементы, атомы которых  в двухэлементных соединениях  всегда связаны с одним атомом  другого элемента.Примером одновалентного элемента является водород. Поэтому считается, что валентность элемента указывает на то, со сколькими атомами водорода соединён один атом рассматриваемого элемента. Например:в HCl хлор-одновалентен, в H2O кислород-двухвалентен,в NH3 азот-трёхвалентен.

 Водородные  соединения известны не для  всех элементов, но почти все  элементы образуют соединения с кислородом О. Кислород считается всегда двухвалентным.

24. Степень окисления — условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что все связи имеют ионный характер.

Это означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе полностью одну электронную пару, приобретает заряд  l-. Неполярная ковалентная связь между одинаковыми атомами дает вклад в степень окисления:

При пользовании  степенями окисления полезно  придерживаться следующих правил:

1) сумма  степеней окисления атомов в  любой частице равна ее электрическому  заряду. Следовательно, степень окисления  элемента в его простом веществе  равна нулю;

2) в  соединениях фтор всегда проявляет  степень окисления -1;

3) степень  окисления кислорода в соединениях  обычно равна -2 (кроме ОF2, Н2О2  и др.);

4) степень  окисления водорода равна +1 в  соединениях с неметаллами и  -1 в соединениях с металлами  (КН, СаН2).

Максимальная положительная степень окисления элемента обычно совпадает с номером его группы в периодической системе. Максимальная отрицательная степень окисления элемента равна максимальной положительной степени окисления - минус восемь.

Исключение  составляют фтор, кислород, железо: их высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем  номер группы, к которой они  относятся. У элементов подгруппы  меди, наоборот, высшая степень окисления  больше еди­ницы, хотя они и относятся к I группе. 

Понятие степени окисления введено в  предположении о полном смещении пар электронов к тому или другому  атому (показывая при этом заряд  ионов, образующих ионное соединение). Поэтому следует помнить, что  в полярных соединениях степень  окисления означает число электронов, лишь смещенных от данного атома  к атому, связанному с ним.

25. Скорость химической реакции - это величина, показывающая как изменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени.

  Для оценки скорости необходимо измеренение концентрации одного из веществ.

 Наибольший  интерес представляют реакции,  протекающие в однородной (гомогенной) среде. Для гетерогенной реакции, скорость реакции определяется числом молей веществ, вступивших в или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности:

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

1.      Природа реагирующих веществ.  Большую роль играет характер  химических связей и строение  молекул реагентов. Реакции протекают  в направлении разрушения менее  прочных связей и образования  веществ с более прочными связями.  Так, для разрыва связей в  молекулах H2 и N2 требуются высокие  энергии; такие молекулы мало  реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

26. Катализ - химическое явление, суть которого заключается в изменении скоростей химических реакций при действии некоторых веществ (их называют катализаторами)

Катализатор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в  состав продуктов  реакции. Количество катализатора, в отличие  от других реагентов, после реакции  не изменяется.

Катализаторы  в химии 

Катализаторы  подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный – образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества (Химическая энциклопедия). Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Реакции одного и того же типа могут протекать  как с гомогенными, так и с  гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются  имеющие кислотные свойства твёрдые Al2O3, TiO2, ThO2, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO,      Энергия активации в химии и биологии — минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция. Термин введён Сванте Августом Аррениусом в 1889. Типичное обозначение энергии реакции Ea.

ВАНТ-ГОФФА ПРАВИЛО. Почти все химические реакции при повышении температуры идут быстрее. Зависимость скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса:

k = Ae–Ea/RT, где k – константа скорости реакции, А – не зависящая от температуры константа (ее называют предэкспоненциальным множителем), Еа – энергия активации, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура. В школьных учебниках зависимость скорости реакции от температуры определяют в соответствии с так называемым «правилом Вант-Гоффа», которое в 19 в. сформулировал голландский химик Якоб Вант-Гофф. Это чисто эмпирическое правило, т.е. правило, основанное не на теории, а выведенное из опытных данных. В соответствии с этим правилом, повышение температуры на 10° приводит к увеличению скорости в 2–4 раза. Математически эту зависимость можно выразить уравнением v2v1 = g (T2 – T1)/10, где v1 и v2 – скорости реакции при температурах Т1 и Т2; величина g называется температурным коэффициентом реакции. Например, если g = 2, то при Т2 – Т1 = 50о v2/v1 = 25 = 32, т.е. реакция ускорилась в 32 раза, причем это ускорение никак не зависит от абсолютных величин Т1 и Т2, а только от их разности.

27. принцип Ле Шателье: если на равновесную систему оказывать внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону, противодействующую этому воздействию.

Влияние температуры. Для реакций, идущих с уменьшением энтальпии (экзотермических), повышение температуры будет препятствовать протеканию прямого процесса, то есть смещать реакцию в сторону исходных веществ. Эндотермические реакции при этом будут смещаться в сторону конечных продуктов. Например, при обычных условиях реакция N2 + O2 не идет (ΔH > 0), но повышение температуры может сделать эти реакцию осуществимой. Реакция CO + 1/2O2 = CO2, ΔH < 0 с повышением температуры будут смещаться в сторону исходных веществ.

Влияние давления. Если реагируют газообразные вещества, то при неизменном числе молей начальных и конечных реагентов повышение общего давления не приведет к смещению равновесия. Если число молей при реакции меняется, то изменение общего давления приведет к смещению равновесия. В частности, реакция 2CO + O2 = 2CO2, протекающая с уменьшением Δn, при повышении общего давления сместится в сторону образования СO2.

Влияние концентраций. В тех реакциях, в которых лучше оперировать концентрациями (реакции в растворах), увеличение концентраций исходных веществ приводит к смещению равновесия в сторону конечных продуктов и наоборот. Так, в реакции этерификации (образование сложного эфира)

ХИМИЧЕСКОЕ  РАВНОВЕСИЕ — состояние  химической системы, при котором возможны реакции, идущие с  равными скоростями в противоположных  направлениях. При  химическом равновесии концентрации реагентов, температура и  другие параметры  системы не изменяются со временем.

Закон действующих масс устанавливает  соотношение между массами реагирующих  веществ в химических реакциях при  равновесии. Согласно этому закону скорость, с которой вещества реагируют  друг с другом, зависит от их концентрации. Закон действующих масс используют при различных расчетах химических процессов. Он позволяет решить вопрос, в каком направлении возможно самопроизвольное течение рассматриваемой  реакции при заданном соотношении  концентраций реагирующих веществ, какой выход нужного продукта может быть получен.

Обратимые реакции — частный  случай "обратимого процесса". Под  этим разумеют превращения, которые могут  быть воспроизведены в обратном порядке  при тожественных условиях, или, точнее, при условиях бесконечно мало отличных. Изменение  объема газа под влиянием перемен внешнего давления — простейший случай обратимого процесса.

28. Растворы - однородные системы, которые состоят из двух и больше компонентов и продуктов их взаимодействия. Растворы принадлежат к однородным смесям. Да, водород растворы состоят из растворителя (воды), растворенного вещества и продуктов их взаимодействия - гидратированных (соединенных с молекулами воды) ионов.

Растворимость - способность вещества растворяться в воде или другом растворителе. Количественно растворимость выражают как отношение массы растворенного вещества в насыщенном растворе до 100 г. (или 1 л.) воды (при данной температуре). Эта величина называется коэффициентом растворимости, или растворимостью. Вода - полярный растворитель.

В молекуле воды связки между атомами  Оксигену и Гидрогену  ковалентные полярные, электронная плотность смещена в сторону Оксигену как более электроотрицательного элемента. На атоме Оксигену вследствие этого накапливается негативный заряд, а на атомах Гидрогену - позитивный. Поэтому молекула воды полярная, она называется диполем (два полюса - позитивного и негативного).

За  растворимостью в  воде все вещества можно разделить  на три группы: 

1) хорошо растворимые  - в 100 г воды при комнатной температуре растворяется больше 10 г вещества;