Kā zināms, ķīmija pēta vielu uzbūvi un īpašības, kā arī to savstarpējās pārvērtības. Svarīgu vietu ķīmisko savienojumu raksturojumā ieņem jautājums, no kādām daļiņām tie sastāv. Tie var būt atomi, joni vai molekulas. Cietās vielās tie nonāk kristāla režģu mezglos. Molekulārajā struktūrā ir salīdzinoši mazs savienojumu skaits cietā, šķidrā un gāzveida stāvoklī.
Mūsu rakstā mēs sniegsim piemērus vielām, kurām ir raksturīgi molekulāri kristālu režģi, kā arī aplūkosim vairākus starpmolekulāro mijiedarbību veidus, kas raksturīgi cietām vielām, šķidrumiem un gāzēm.
Kāpēc jāzina ķīmisko savienojumu struktūra
Katrā cilvēces zināšanu nozarē var izdalīt pamatlikumu grupu, uz kuras balstās zinātnes tālākā attīstība. ķīmijā- tā ir M. V. teorija. Lomonosovs un J. D altons, skaidrojot matērijas atomu un molekulāro uzbūvi. Kā noskaidrojuši zinātnieki, zinot iekšējo struktūru, ir iespējams paredzēt gan savienojuma fizikālās, gan ķīmiskās īpašības. Visam milzīgajam cilvēka mākslīgi sintezēto organisko vielu daudzumam (plastmasai, narkotikām, pesticīdiem utt.) ir iepriekš noteiktas īpašības un īpašības, kas ir visvērtīgākās viņa rūpnieciskajām un sadzīves vajadzībām.
Zināšanas par savienojumu struktūras iezīmēm un īpašībām ir nepieciešamas, veicot kontroles sadaļas, ieskaites un eksāmenus ķīmijas kursā. Piemēram, piedāvātajā vielu sarakstā atrodiet pareizās atbildes: kādai vielai ir molekulārā struktūra?
- Cinks.
- Magnija oksīds.
- Dimants.
- Naftalīns.
Pareizā atbilde ir: cinkam ir molekulārā struktūra, tāpat kā naftalānam.
Starpmolekulārās mijiedarbības spēki
Eksperimentāli noskaidrots, ka molekulārā struktūra ir raksturīga vielām ar zemu kušanas temperatūru un zemu cietību. Kā var izskaidrot šo savienojumu kristālisko režģu trauslumu? Kā izrādījās, viss ir atkarīgs no to mezglos esošo daļiņu kopīgās ietekmes stipruma. Tam ir elektrisks raksturs, un to sauc par starpmolekulāro mijiedarbību jeb van der Vālsa spēkiem, kuru pamatā ir pretēji lādētu molekulu – dipolu – ietekme viena uz otru. Izrādījās, ka to veidošanai ir vairāki mehānismi,atkarībā no pašas vielas rakstura.
Skābes kā molekulārā sastāva savienojumi
Lielākā daļa skābju, gan organisko, gan neorganisko, satur polāras daļiņas, kas ir orientētas viena pret otru ar pretēji lādētiem poliem. Piemēram, sālsskābes HCl šķīdumā ir dipoli, starp kuriem notiek orientācijas mijiedarbība. Paaugstinoties temperatūrai, sālsskābes, bromūdeņražskābes (HBr) un citu halogēnu saturošu skābju molekulām samazinās orientācijas efekts, jo daļiņu termiskā kustība traucē to savstarpējo pievilcību. Papildus iepriekš minētajām vielām saharozei, naftalīnam, etanolam un citiem organiskiem savienojumiem ir molekulārā struktūra.
Kā rodas inducētas lādētas daļiņas
Agrāk mēs apsvērām vienu no Van der Vālsa spēku darbības mehānismiem, ko sauca par orientācijas mijiedarbību. Papildus organiskajām vielām un halogēnu saturošām skābēm ūdeņraža oksīdam, ūdenim ir molekulāra struktūra. Vielās, kas sastāv no nepolāriem, bet ar noslieci uz dipolu veidošanos, molekulām, piemēram, oglekļa dioksīds CO2, var novērot inducētu lādētu daļiņu - dipolu parādīšanos. To vissvarīgākā īpašība ir spēja piesaistīt vienam otru elektrostatisko pievilkšanas spēku parādīšanās dēļ.
Gāzes molekulārā struktūra
Iepriekšējā apakšvirsrakstā mēs minējām savienojumu oglekļa dioksīds. Katrs no tā atomiem ap sevi rada elektrisko lauku, kas inducēpolarizācija uz vienu blakus esošās oglekļa dioksīda molekulas atomu. Tas pārvēršas par dipolu, kas, savukārt, kļūst spējīgs polarizēt citas CO2 daļiņas. Tā rezultātā molekulas tiek piesaistītas viena otrai. Induktīvo mijiedarbību var novērot arī vielās, kas sastāv no polārām daļiņām, tomēr šajā gadījumā tā ir daudz vājāka nekā orientējošie van der Vālsa spēki.
Izkliedes mijiedarbība
Gan paši atomi, gan tos veidojošās daļiņas (kodols, elektroni) spēj veikt nepārtrauktu rotācijas un svārstību kustību. Tas noved pie dipolu parādīšanās. Kā liecina kvantu mehānikas pētījumi, momentānas divkārši uzlādētu daļiņu rašanās notiek gan cietās vielās, gan šķidrumos sinhroni, tā ka blakus izvietoto molekulu gali izrādās ar pretējiem poliem. Tas noved pie to elektrostatiskās pievilcības, ko sauc par dispersijas mijiedarbību. Tas ir raksturīgs visām vielām, izņemot tās, kas atrodas gāzveida stāvoklī un kuru molekulas ir monoatomiskas. Tomēr van der Vālsa spēki var rasties, piemēram, inertu gāzu (hēlija, neona) pārejas laikā šķidrā fāzē zemā temperatūrā. Tādējādi ķermeņu vai šķidrumu molekulārā struktūra nosaka to spēju veidot dažāda veida starpmolekulāras mijiedarbības: orientācijas, inducētas vai dispersijas.
Kas ir sublimācija
Cietas vielas, piemēram, joda kristālu, molekulārā struktūra,izraisa tādu interesantu fizikālu parādību kā sublimācija - I2 molekulu iztvaikošana violetu tvaiku veidā. Tas rodas no vielas virsmas cietā fāzē, apejot šķidro stāvokli.
Šis vizuāli iespaidīgais eksperiments bieži tiek veikts skolu ķīmijas klasēs, lai ilustrētu molekulāro kristālisko režģu strukturālās iezīmes un ar to saistītās savienojumu īpašības. Parasti tās ir zemas cietības, zemas kušanas un viršanas temperatūras, slikta siltuma un elektriskā vadītspēja un nepastāvība.
Praktiska zināšanu izmantošana par vielu struktūru
Kā redzējām, var konstatēt zināmu korelāciju starp kristāliskā režģa veidu, struktūru un savienojuma īpašībām. Tāpēc, ja ir zināmas vielas īpašības, tad ir diezgan viegli paredzēt tās struktūras un daļiņu sastāva pazīmes: atomus, molekulas vai jonus. Iegūtā informācija var būt noderīga arī tad, ja ķīmijas uzdevumos ir pareizi jāizvēlas vielas, kurām ir molekulārā struktūra no noteiktas savienojumu grupas, izslēdzot tās, kurām ir atomu vai jonu tipa režģi.
Apkopojot, varam secināt: cieta ķermeņa molekulārā struktūra un kristālisko režģu telpiskā struktūra, kā arī polarizēto daļiņu izvietojums šķidrumos un gāzēs ir pilnībā atbildīgs par tā fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām. Teorētiskā izteiksmē savienojumu īpašības,saturošie dipoli ir atkarīgi no starpmolekulārās mijiedarbības spēku lieluma. Jo augstāka ir molekulu polaritāte un mazāks to veidojošo atomu rādiuss, jo spēcīgāki ir orientācijas spēki, kas rodas starp tām. Gluži pretēji, jo lielāki ir atomi, kas veido molekulu, jo lielāks ir tās dipola moments un līdz ar to arī dispersijas spēki. Tādējādi cietas vielas molekulārā struktūra ietekmē arī tās daļiņu - dipolu - mijiedarbības spēkus.
