Химическая связь, строение и свойства веществ

• Три типа сильных химических связей удерживают атомы или ионы вместе: ионная (притяжение между oppositely charged ions), ковалентная (общие пары электронов) и металлическая (делокализованные электроны).
• Структура следует за связью: гигантские ионные решётки, малые молекулы, полимеры, гигантские ковалентные структуры и металлические решётки — каждая предсказывает температуру плавления и проводимость.
• Углерод демонстрирует все свои свойства: алмаз, графит, графен, фуллерены; наночастицы (только химия) превращают удельную поверхность в свойства.

Три сильных химических связи, все объясняются электростатическими силами:

• Ионная связь — это электростатическое притяжение между ионами с противоположными зарядами. При образовании связи металл отдает валентные электроны неметаллу: атомы металла теряют электроны, становясь положительными ионами; атомы неметалла принимают их, становясь отрицательными ионами; металлы групп 1/2 и неметаллы групп 6/7 образуют ионы со структурой благородных газов. Изобразите перенос электронов с помощью схем с точками и крестиками; определите заряды ионов по номеру группы (Группа 1 → +1, Группа 2 → +2, Группа 6 → −2, Группа 7 → −1).
• Ковалентная — атомы неметаллов делят пары электронов. Знать точечно-крестиковые диаграммы для H₂, Cl₂, O₂, N₂, HCl, H₂O, NH₃, CH₄, а также линейные представления для малых молекул, повторяющихся единиц полимеров и гигантских ковалентных структур.
• Металлическая связь — гигантская регулярная структура положительных ионов металла с делокализованными валентными электронами, свободными для движения по всей структуре; обмен этими электронами обеспечивает прочную металлическую связь.

Знайте ограничения моделей: схемы точечного и крестикового изображения, шаро-палочковые модели, 2D и 3D диаграммы упрощают реальность — силы не изображены, палочки создают ложное ощущение промежутков между соприкасающимися частицами, плоский рисунок не полностью отражает 3D расположение, а гигантская структура представлена лишь фрагментом. Выводите эмпирические формулы из моделей кристаллической решётки; молекулярные формулы — из схем молекул.

Постройте схему электронов, затем проверьте её

Для небольшой молекулы добавьте внешние электроны каждого атома. Выберите общие пары так, чтобы вокруг водорода было два электрона, а вокруг остальных названных атомов — восемь. Добавьте оставшиеся электроны как неподелённые пары. Точки и крестики фиксируют происхождение электронов; сами электроны идентичны. Одинарная связь делит две электроны, двойная — четыре, тройная — шесть.

Разобранный метод: вода. Кислород предоставляет шесть валентных электронов, два атома водорода предоставляют по одному: всего восемь. Два общих O–H pair используют четыре электрона. Остальные четыре образуют две неподеленные пары на кислороде. Вокруг каждого атома водорода находится два электрона; у кислорода — восемь. Плоская схема расположения электронов не определяет пространственную 3D форму молекулы.

Разобранное решение: хлорид магния. Mg начинается с 2,8,2 и теряет два электрона, превращаясь в Mg²⁺ с конфигурацией 2,8. Два атома хлора начинаются с 2,8,7 и принимают по одному электрону, образуя два иона Cl⁻ с конфигурацией 2,8,8. Нарисуйте скобки и заряды вокруг каждого иона. У каждого хлорида семь исходных электронов и один принятый электрон. Схема внешних электронов может оставить бывшую третью оболочку Mg пустой; это не означает, что ион не содержит электронов.

Формула следует из баланса зарядов: один Mg²⁺ требует два иона Cl⁻, поэтому MgCl₂. Фрагмент решетки с 6 положительными ионами на каждый 12 отрицательный имеет простейшее соотношение 1:2. Не интерпретируйте Mg₆Cl₁₂ как формулу отдельной молекулы: ионная структура является гигантской. Конечный край рисунка также может искажать видимое количество; используйте повторяющийся узор и заряды.

Линейная формула заменяет каждую общую электронную пару одной чертой. Вода записывается как H–O–H, кислород — O=O, а азот — N≡N. Одиночные (неподелённые) пары в таких линейных формулах не отображаются. В полимере скобленная повторяющаяся единица представляет небольшой участок очень длинной цепи, соединённой ковалентными связями; связи продолжения проходят через скобки. На схеме giant covalent (огромной ковалентной структуры) связи продолжаются за пределами фрагмента в виде сетки, а не обрываются на отдельной молекуле.

Агрегатные состояния: твёрдое, жидкое, газообразное; плавление/кристаллизация при температуре плавления, кипение/конденсация при температуре кипения. Частичная теория (маленькие твёрдые сферы) объясняет эти изменения; чем сильнее силы между частицами, тем выше температура плавления и кипения. (HT) Ограничения простой модели: не показаны силы, все сферы одинаковы, твёрдые частицы. Символы агрегатных состояний: (s), (l), (g), (aq).

Более крупные молекулы → более сильные межмолекулярные силы → более высокие температуры плавления и кипения. Сплавы твёрже чистых металлов, так как атомы разного размера искажают слои, препятствуя их скольжению.

Предсказать агрегатное состояние и объяснить изменение

При указанном давлении чистое вещество является твёрдым ниже температуры плавления, жидким между температурами плавления и кипения, и газообразным выше температуры кипения. При температуре фазового перехода могут сосуществовать два состояния. Разобранный пример: X плавится при −15 °C и кипит при 65 °C. Оно твёрдое при −30 °C, жидкое при 20 °C и газообразное при 90 °C. Одного числа температуры недостаточно без данных о фазовых переходах данного вещества.

В твёрдом теле частицы колеблются около фиксированных положений. При плавлении они получают достаточно энергии, чтобы перемещаться друг относительно друга, но остаются близко друг к другу. При кипении частицы удаляются значительно дальше по мере преодоления притяжения. Охлаждение обратимо и передаёт энергию окружающей среде. Частицы не увеличиваются в размерах до более крупных атомов при нагревании. Отдельный атом не обладает температурой плавления, твёрдостью или проводимостью массивного образца: эти свойства зависят от совокупности частиц и их структуры.

Используйте причинное объяснение: строение → сила или структура → носитель заряда → свойство. Для твёрдого NaCl противоположно заряженные ионы сильно притягиваются во всех направлениях, поэтому для плавления требуется много энергии. Их ионы зафиксированы, поэтому он не проводит ток. Расплавленный NaCl сохраняет заряженные ионы, которые теперь могут двигаться и переносить заряд. Для металла подвижные делокализованные электроны переносят заряд в твёрдом состоянии; для жидкости с малыми молекулами движущиеся нейтральные молекулы сами по себе не создают электрического тока.

Разобранный пример сравнения: цепь полимера имеет сильные ковалентные связи вдоль неё. Относительно сильные межмолекулярные притяжения между крупными цепями делают обычные полимеры твёрдыми при комнатной температуре. Размягчение полимера не требует разрыва всех ковалентных связей вдоль каждой цепи. В гигантской ковалентной сетке, такой как диоксид кремния, прочные ковалентные связи распространяются по всей структуре, поэтому для её плавления необходимо преодолеть множество связей. Это разные структуры, хотя обе содержат ковалентные связи.

Слои чистого металла могут скользить, пока металлическая связь сохраняется. Атомы разного размера в сплаве искажают регулярные слои, затрудняя скольжение. Это объясняет увеличение твёрдости; это не означает, что все чистые металлы легко царапаются или что в сплаве отсутствуют подвижные электроны.

• Алмаз — гигантская ковалентная структура, в которой каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи: очень твёрдый, очень высокая температура плавления, не проводит ток.
• Графит — каждый атом образует три связи, слои гексагональных колец без ковалентных связей между слоями (мягкий, скользящий — смазка); один делокализованный электрон на атом → проводит электрический ток как металл.
• Графен — однослойный графит: толщиной в один атом, прочный, проводит ток — электроника и композитные материалы.
• Фуллерены — полые молекулы из углеродных гексагонов (плюс 5- или 7-членные кольца); Бакминстерфуллерен C₆₀ имеет форму сферы. Углеродные нанотрубки — цилиндрические фуллерены с огромным соотношением длины к диаметру: нанотехнологии, электроника, материалы.

Нанонаука = структуры размером 1–100 нм; наименьшие из них составляют порядок нескольких сотен атомов. Размер частицы и количество атомов — это разные величины. Наночастицы меньше тонких частиц (PM2.5, 100–2500 нм), которые, в свою очередь, меньше грубых частиц/пыли (PM10 в данной программе, 2.5 × 10⁻⁶–1 × 10⁻⁵ м).

Площадь поверхности : объём: при уменьшении стороны куба на 10× отношение ПОВ увеличивается на 10×. Наночастицы могут обладать другими свойствами по сравнению с объёмным материалом из-за этого высокого отношения — катализаторы (требуется меньшее количество), доставка лекарств, косметика, электроника. Заботы: влияние на организм человека и окружающую среду до конца не изучено.

Сравнивать равные количества, а не просто одну частицу

Для модели куба со стороной $l$, площадью поверхности $A=6l^2$ и объёмом $V=l^3$, следовательно $A/V=6/l$. Частное имеет размерность, обратную длине. Разобранный пример: куб размером 100 нм имеет $A=60\,000\ \mathrm{nm^2}$, $V=1\,000\,000\ \mathrm{nm^3}$ и $A/V=0.06\ \mathrm{nm^{-1}}$. Куб размером 10 нм имеет $A=600\ \mathrm{nm^2}$, $V=1000\ \mathrm{nm^3}$ и $A/V=0.6\ \mathrm{nm^{-1}}$: в десять раз больше. У меньшего отдельного куба меньше площадь, но тот же общий объём, разделённый на меньшие кубы, даёт большую общую открытую площадь.

Один нанометр равен $10^{-9}$ м. Частица размером 20 нм составляет $2.0\times10^{-8}$ м в диаметре, примерно в 200 раз больше типичного диаметра атома размером 0.1 нм. Это не один большой атом. Куб размером 0.2 нм находится ниже указанного диапазона наночастиц, поэтому не подходит в качестве примера наночастицы.

Оцените предоставленную информацию. Предположим, что равные массы материала удаляют одинаковое количество загрязнителя за 12 минут в форме наночастиц и за 40 минут в объемной форме. Тестированная наноформа действует быстрее; большая открытая площадь на единицу массы является правдоподобным объяснением. Однако этот результат сам по себе не доказывает безопасность, дешевизну или экологическую безвредность косметического средства. Оцените заявленное преимущество с учётом воздействия, возможных эффектов на здоровье/окружающую среду и пределов имеющихся данных. Задайте вопрос о том, какие дополнительные измерения могли бы устранить конкретную неопределённость. Не утверждайте, что все наночастицы проникают в кожу или что все они вредны.

• Три связи с точки зрения электронов и электростатических сил; заряды ионов по номерам групп.
• Электронные диаграммы для восьми названных молекул; перечислены ограничения моделей.
• Таблица свойств выше, восстановленная по памяти: какие силы преодолеваются при плавлении.
• Алмаз против графита против графена против фуллеренов, связь между связыванием и свойствами; примените это рассуждение к незнакомому применению.
• (Химия) Соотношение площади поверхности к объему: правило коэффициента 10; три диапазона размеров частиц, применение и проблемы наночастиц.