Kot veste, kemija preučuje strukturo in lastnosti snovi ter njihove medsebojne preobrazbe. Pomembno mesto pri karakterizaciji kemičnih spojin zavzema vprašanje, iz kakšnih delcev so sestavljene. Lahko so atomi, ioni ali molekule. V trdnih snoveh vstopijo v vozlišča kristalnih rešetk. Molekularna struktura ima relativno majhno število spojin v trdnem, tekočem in plinastem stanju.
V našem članku bomo podali primere snovi, za katere so značilne molekularne kristalne mreže, upoštevali pa bomo tudi več vrst medmolekularnih interakcij, značilnih za trdne snovi, tekočine in pline.
Zakaj morate poznati strukturo kemičnih spojin
V vsaki veji človeškega znanja lahko izpostavimo skupino temeljnih zakonov, na katerih temelji nadaljnji razvoj znanosti. v kemiji- to je teorija M. V. Lomonosov in J. D alton, ki pojasnjujeta atomsko in molekularno strukturo snovi. Kot so ugotovili znanstveniki, je ob poznavanju notranje strukture mogoče predvideti tako fizikalne kot kemijske lastnosti spojine. Celotna ogromna količina organskih snovi, ki jih človek umetno sintetizira (plastika, zdravila, pesticidi itd.), ima vnaprej določene lastnosti in lastnosti, ki so najbolj dragocene za njegove industrijske in gospodinjske potrebe.
Pri izvajanju kontrolnih sklopov, testov in izpitov pri kemiji je potrebno znanje o značilnostih zgradbe in lastnosti spojin. Na predlaganem seznamu snovi na primer poiščite pravilne odgovore: katera snov ima molekularno strukturo?
- Cink.
- Magnezijev oksid.
- Diamond.
- Naftalen.
Pravilni odgovor je: cink ima molekularno strukturo, tako kot naftalen.
Sile medmolekularne interakcije
Poskusno je bilo ugotovljeno, da je molekularna struktura značilna za snovi z nizkim tališčem in nizko trdoto. Kako lahko razložimo krhkost kristalnih rešetk teh spojin? Kot se je izkazalo, je vse odvisno od moči skupnega vpliva delcev, ki se nahajajo v njihovih vozliščih. Ima električno naravo in se imenuje medmolekulska interakcija ali van der Waalsove sile, ki temeljijo na vplivu nasprotno nabitih molekul – dipolov – druga na drugo. Izkazalo se je, da obstaja več mehanizmov za njihov nastanek,odvisno od narave same snovi.
Kisline kot spojine molekularne sestave
Raztopine večine kislin, tako organskih kot anorganskih, vsebujejo polarne delce, ki so usmerjeni drug proti drugemu z nasprotno nabitimi poli. Na primer, v raztopini klorovodikove kisline HCI so dipoli, med katerimi se pojavljajo orientacijske interakcije. Z zvišanjem temperature molekule klorovodikove, bromovodikove (HBr) in drugih kislin, ki vsebujejo halogen, zmanjšajo orientacijski učinek, saj toplotno gibanje delcev moti njihovo medsebojno privlačnost. Poleg zgornjih snovi imajo molekularno strukturo saharoza, naftalen, etanol in druge organske spojine.
Kako nastanejo inducirani nabiti delci
Prej smo obravnavali enega od mehanizmov delovanja Van der Waalsovih sil, imenovanega orientacijska interakcija. Poleg organskih snovi in kislin, ki vsebujejo halogen, ima vodikov oksid, voda, molekularno strukturo. V snoveh, ki so sestavljene iz nepolarnih, a nagnjenih k tvorbi dipolov, molekul, kot je ogljikov dioksid CO2, lahko opazimo pojav induciranih nabitih delcev - dipolov. Njihova najpomembnejša lastnost je sposobnost, da se pritegneta zaradi pojava elektrostatičnih privlačnih sil.
Molekularna struktura plina
V prejšnjem podnaslovu smo omenili spojino ogljikov dioksid. Vsak njegov atom okoli sebe ustvari električno polje, ki inducirapolarizacija na atom bližnje molekule ogljikovega dioksida. Spremeni se v dipol, ki pa postane sposoben polarizirati druge delce CO2. Posledično se molekule med seboj privlačijo. Induktivno interakcijo lahko opazimo tudi pri snoveh, sestavljenih iz polarnih delcev, vendar je v tem primeru veliko šibkejša od orientacijskih van der Waalsovih sil.
interakcija disperzije
Tako sami atomi kot delci, ki jih sestavljajo (jedro, elektroni), so sposobni neprekinjenega rotacijskega in nihajnega gibanja. To vodi do pojava dipolov. Po raziskavah kvantne mehanike se pojavljanje trenutnih dvojno nabitih delcev pojavlja tako v trdnih snoveh kot v tekočinah sinhrono, tako da se konci molekul, ki se nahajajo v bližini, izkažejo za nasprotne polovice. To vodi do njihove elektrostatične privlačnosti, imenovane disperzijska interakcija. Značilen je za vse snovi, razen tistih, ki so v plinastem stanju in katerih molekule so enoatomske. Lahko pa nastanejo van der Waalsove sile, na primer pri prehodu inertnih plinov (helij, neon) v tekočo fazo pri nizkih temperaturah. Tako molekularna struktura teles ali tekočin določa njihovo sposobnost tvorjenja različnih vrst medmolekularnih interakcij: orientacijske, inducirane ali disperzijske.
Kaj je sublimacija
Molekularna struktura trdne snovi, kot so kristali joda,povzroča tako zanimiv fizični pojav, kot je sublimacija - izhlapevanje molekul I2 v obliki vijoličnih hlapov. Pojavlja se s površine snovi v trdni fazi, mimo tekočega stanja.
Ta vizualno spektakularen eksperiment se pogosto izvaja v šolskih učilnicah za kemijo, da ponazori strukturne značilnosti molekularnih kristalnih rešetk in s tem povezane lastnosti spojin. Običajno so to nizka trdota, nizko tališče in vrelišče, slaba toplotna in električna prevodnost ter hlapnost.
Praktična uporaba znanja o zgradbi snovi
Kot smo videli, je mogoče vzpostaviti določeno korelacijo med vrsto kristalne mreže, strukturo in lastnostmi spojine. Če so torej znane značilnosti snovi, je precej enostavno napovedati značilnosti njene strukture in sestave delcev: atomov, molekul ali ionov. Dobljene informacije so lahko koristne tudi, če je treba pri nalogah iz kemije pravilno izbrati snovi, ki imajo molekularno strukturo iz določene skupine spojin, razen tistih, ki imajo atomsko ali ionsko vrsto rešetk.
Če povzamemo, lahko sklepamo naslednje: molekularna struktura trdnega telesa in njegova prostorska struktura kristalnih rešetk ter razporeditev polariziranih delcev v tekočinah in plinih sta v celoti odgovorni za njegove fizikalne in kemijske lastnosti. V teoretičnem smislu lastnosti spojin,ki vsebujejo dipole, so odvisne od velikosti sil medmolekularne interakcije. Večja kot je polarnost molekul in manjši kot je polmer atomov, ki jih sestavljajo, močnejše so orientacijske sile, ki nastanejo med njimi. Nasprotno, večji kot so atomi, ki sestavljajo molekulo, večji je njen dipolni moment in zato pomembnejše so disperzijske sile. Tako molekularna struktura trdne snovi vpliva tudi na sile interakcije med njenimi delci – dipoli.
