Молекулы и кристаллические структуры

Свойствам и строению атомов посвящена гл. 4 учебника. Но необходимо сказать теперь же о самом важном свойстве атомов, определяющем весь облик окружающего нас мира, — способности атомов соединяться между собой в более крупные частицы, начиная от двухатомных молекул и до огромных молекул, содержащих тысячи атомов, а также кристаллических структур, в которых число атомов зависит от величины кристалла.

Молекулой называется частица вещества, состоящая из связанных между собой атомов.

Вещества и соответствующие им молекулы изображают формулами, составленными из символов химических элементов и индексов, обозначающих число атомов каждого элемента.

Пример 2.3. Молекула фосфорной кислоты состоит из трех атомов водорода, одного атома фосфора и четырех атомов кислорода. Напишите ее формулу.

Решение. Из табл. 2.2 берем символы химических элементов и добавляем индексы: Н₃Р0₄.

Индекс «1» при атомах не ставят. Для последовательности записи элементов в молекуле единого правила нет. Кислород обычно записывают на последнем месте. Водород в кислотах ставят на первом месте, а в органических соединениях — после углерода.

При соединении атомов в молекулы масса с большой степенью точности сохраняется. Поэтому молекулярная масса М_г равна сумме атомных масс:

Под индексом «г» подразумеваются условные номера элементов в порядке их перечисления в формуле; N_t — число атомов данного элемента.

Пример 2.4. Вычислите молекулярную массу фосфорной кислоты.

Решение. Из табл. 2.2 берем атомные массы элементов, округляя их до целых чисел, и применяем формулу (2.1):

Пример 2.5. Сколько молекул содержится в 5 г фосфорной кислоты?

Решение. Очевидно, что для вычисления числа молекул следует массу вещества разделить па массу молекулы, выраженную в граммах.

Размеры молекул не многим больше, чем размеры атомов, но тем не менее доказать их реальное существование можно рентгеноструктурным исследованием кристаллического вещества. На рис. 2.5 показана структура кристаллической воды, т. е. льда. Хорошо видно, что к каждому атому кислорода приближены два атома водорода на расстояние 100 пм. Они связаны с атомом кислорода, составляя молекулу воды. Следующее по величине расстояние 11−0 составляет 176 им. Между этими атомами прочной связи нет, и они принадлежат разным молекулам. Это убедительное доказательство того, что вода состоит из молекул.

Рис. 2.5. Кристаллическая структура водяного льда

Молекулы изображают с помощью различных моделей и схем (рис. 2.6). Атомы проще всего представить в виде сферических частиц разных размеров (в соответствии с данными исследований). На модели а атомы кислорода и водорода изображены в виде соприкасающихся сфер. На модели б учтена деформация атомов при их соединении в молекулу. На модели в и на рис. 2.5 радиусы атомных сфер уменьшены по отношению к расстоянию между центрами атомов. Это позволяет лучше видеть расположение атомов в объемной структуре. Линия, соединяющая атомы, означает наличие связи между ними. Схема г наиболее условна. Здесь атомы изображены символами элементов. Это так называемая структурная формула молекулы. Так можно изображать все молекулы. В структурной формуле молекулы воды учитывается взаимное расположение атомов кислорода и водорода: согласно результатам исследований угол между связями составляет 104,5°. Молекулу воды называют угловой.

Рис. 2.6. Графические изображения молекулы воды

На рис. 2.7 изображены модели молекул еще нескольких сложных веществ. Трехатомные молекулы углекислого газа С0₂ (я), в отличие от молекул воды, линейные: три атома находятся на одной прямой линии. В молекуле бензола С₆Н₆ (6) все атомы расположены в одной плоскости, причем атомы углерода соединены в правильный шестиугольник. Молекулу аммиака NH₃ (в) можно осмыслить как трехгранную пирамиду, в вершине которой расположен атом азота, в углах основания атомы водорода. Молекула этана С₂Н_б (г) состоит как бы из двух половинок СН₃, которые могут вращаться взаимно вокруг оси, проходящей через атомы углерода. Значительно сложнее строение молекулы глюкозы С₆Н₁₂0₆(Э). В ней пять атомов углерода и один атом кислорода образуют шестиугольник, искаженный наподобие листа бумаги, у которого два противоположных уголка отогнуты вверх и вниз. Остальные атомы присоединены к атомам углерода несколько выше и ниже шестиугольника. Эти примеры дают лишь предварительное представление о сложности и разнообразии молекул.

Рис. 2.7. Расположение атомов в некоторых молекулах.

Молекулы, а следовательно, и состоящие из них вещества характеризуются определенным элементным составом, который выражают в массовых долях. Это отношение массы данного элемента в молекуле к массе молекулы:

Пример 2.6. Рассчитайте массовые доли химических элементов в глюкозе. Решение. 1. Найдем молекулярную массу глюкозы С₆Н₁₂0₆:

2. Вычислим массовые доли элементов:

Пример 2.7. В химическом соединении, состоящем из углерода и серы, массовая доля углерода 15,8%. Установите формулу вещества.

Решение. Массовая доля, выраженная в процентах, равна числу массовых частей элемента на 100 массовых частей вещества. Находим массу серы, приходящуюся на один атом углерода:

• 15,8 масс.ч. углерода — (100 — 15,8) масс.ч. серы;
• 12 а.е.м. углерода — х а.е.м. серы.

Л/S) = 32 (см. табл. 2.2). Следовательно, число атомов серы.

Получаем формулу вещества CS₂.

При исследовании строения веществ иногда обнаруживается расхождение между молекулярной и простейшей формулами вещества.

Пример 2.8. Газ этан состоит из 20% водорода и 80% углерода по массе. Установите его формулу.

Решение. Поступаем, как в примере 2.7:

• 80 масс.ч. углерода — 20 масс.ч. водорода;
• 12 а.е.м. углерода — х а.е.м. водорода.

Получаем простейшую формулу СН₃. В действительности этан состоит из молекул С₂Н₆ (см. рис. 2.7). Это молекулярная формула этана, и именно ее всегда используют при решении различных вопросов, связанных с этим веществом.

Долгое время считалось, что все вещества, тем более миогоэлементные, состоят из молекул. Такой взгляд иногда складывается и в наше время. Возьмем известные формулы поваренной (пищевой) соли NaCl и кварца Si0₂. Рентгеноструктурным анализом установлено, что в этих веществах атомы разных видов определенным образом чередуются, не образуя обособленных групп, которые можно было бы считать молекулами.

В кварце каждый атом кремния симметрично окружен четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода находится между двумя атомами кремния, причем все расстояния в ближайшем окружении атомов одинаковы:

Такое расположение атомов не похоже на структуру воды в форме льда. Мы не видим отдельных молекул Si0₂. Все атомы, имеющиеся в кристалле, объединены сеткой связей как бы в единую молекулу. В структуре хлорида натрия NaCl (рис. 2.8) каждый атом натрия симметрично окружен шестью атомами хлора, расположенными на равных расстояниях. Одновременно и атомы хлора окружены так же симметрично шестью атомами натрия. Попробуйте увидеть здесь отдельные молекулы NaCl. Очевидно, что этих молекул в структуре поваренной соли нет. Структуры, подобные кварцу и поваренной соли, называются каркасными и ионными (какое между ними различие — будет разъяснено позднее). Структуры, подобные воде, т. е. построенные из молекул, называются молекулярными.

Рис. 2.8. Кристаллическая структура хлорида натрия

Различие веществ с молекулярными и немолекулярными структурами обнаруживается не только рентгеноструктурным анализом. При обычных условиях вещества с молекулярными структурами представляют собой жидкости, газы или заметно летучие твердые вещества. Можно вспомнить своеобразно пахнущие белые кристаллы нафталина. Запах указывает на летучесть вещества. Известно также, что не только жидкая вода, но и лед испаряются. Поместив стекло с каплей воды в морозильную камеру, можно убедиться, что через несколько дней образовавшийся лед исчезает. Это явление называется возгонкой. Оно характерно только для веществ с молекулярной структурой.

Что же, если не молекулы, означают химические формулы веществ с атомными и ионными структурами? Можно считать, что это условные частицы с минимальным числом атомов, соответствующим составу вещества. В хлориде натрия имеется равное число атомов натрия и хлора, что дает формулу NaCl. Рассматривая структуру оксида кремния, можно заметить, что каждому атому кремния принадлежат четыре «половинки» атомов кислорода. Это соответствует двум целым атомам. Получается формула Si0₂. Под этими формулами подразумеваются не реальные молекулы, а условные частицы, называемые формульными единицами.

Структурные единицы вещества — это реальные (атомы, молекулы) или условные (формульные единицы) частицы, достаточное число которых может составить любую порцию вещества.

Формульная единица — не очень удачный термин, так как он охватывает и понятие молекула. Вместо формульной единицы предложен термин «толика», пока не получивший распространения. Как пример, формула NaCl означает толику хлорида натрия.

Принято считать, что любые структурные единицы, включая и формульные единицы, характеризуются молекулярной массой М_г В табл. 2.3 показано, какие виды структурных единиц соответствуют различным типам веществ.

Таблица 23

Соответствие структурных единиц и типов вещества

Формульные единицы веществ, в отличие от молекул, не всегда возможно адекватно изобразить структурными формулами. Например, структурная формула.

не дает правильного представления о строении хлорида натрия, так как на самом деле атомы натрия и хлора связаны с шестью соседними атомами. Эта формула приобретает смысл для газообразного состояния соли (температура кипения поваренной соли 1465 °С), в котором действительно имеются молекулы NaCl. Но, как правило, говоря о поваренной соли, мы подразумеваем твердое вещество, а в нем молекул нет.