Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
Энергия связи — это энергия, необходимая для разрыва химической связи во всех молекулах, составляющих один моль вещества. Энергии ковалентных и ионных связей обычно велики и составляют 100 - 800 кДж/моль. Помимо связей внутри молекул существуют также межмолекулярные взаимодействия, например в комплексных соединениях. В них связь между молекулами может осуществляться как электростатическим, так и донорно-акцепторным взаимодействием.
Общепризнанного определения понятия «комплексное соединение» нет. Это связано с разнообразием комплексных соединений и их характерных свойств. Тем не менее часто можно встретить приведенное ниже определение. Комплексные соединения — сложные вещества, в которых можно выделить центральный атом (комплексообразователь) и связанные с ним молекулы и ионы — лиганды.
Центральный атом и лиганды образуют комплекс (внутреннюю сферу), кo торый при записи формулы комплексного соединения заключают в квадратные скобки. Число лигандов во внутренней сфере называется координационным числом. Молекулы и ионы, окружающие комплекс, образуют внешнюю сферу. Само название водородного типа связи подчеркивает, что в ее образовании принимает участие атом водорода.
Водородные связи могут образовываться в тех случаях, когда атом водорода связан с электроотрицательным атомом, который смещает на себя электронное облако, создавая тем самым положительный заряд d + на водороде. Водородная связь — связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы.
Водородная связь имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер. Примером может служить образование водородной связи между двумя молекулами воды. Связи О—Н в Н20 имеют заметный полярный характер с избытком отрицательного заряда на атоме кислорода. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный заряд и может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды.
'Вода служит примером распространенной водородной связи, в то же время она является необыкновенным химическим веществом. Даже в Библии она особо выделена. В книге Бытия сказано: «Дух Божий носился над водою» (1,2). Это одно из немногих соединений, которое не подчиняется обычным законам химии и физики. В отличие от большинства веществ, сжимающихся при замерзании, вода расширяется, образуя лед.
В этом твердом состоянии она легче воды, что весьма важно для всех водных форм жизни, т. к. лед предохраняет водоемы от промерзания в зимнее время. Вода играет важную роль в регулировании температуры на земле. Она является необходимой составной частью всех организмов. Из всех известных жидкостей вода является лучшим растворителем. Свойства воды являются наиболее ярким выражением ант-ропного принципа, заложенного в мироздании Творцом.
Однако целесообразность каждого из химических веществ и другие особенности протекания химических процессов также указывают на Творца. Некоторые особенности энергетики химических превращений Говоря об энергии связи в химических соединениях мы затронули вопросы движения составляющих их частиц и пространственного расположения (строения).
Это естественно, потому что состав, энергии связи и строение химических веществ связаны между собой так же тесно как категории материи, энергии и пространства. Особенно очевидна эта связь в кристаллах. Часто процесс роста кристаллов приводится как пример самопроизвольного процесса, приводящий к получению вещества более сложной структуры. Однако сторонники подобного взгляда пренебрегают анализом энергетического состояния системы.
Образование кристаллов чаще всего связано с образованием энергетически более выгодной структуры или требует затрат энергии для реализации процесса. Во многих случаях с помощью термохимических расчетов можно оценить принципиальную энергетическую возможность, а также рассчитать затраты энергии для осуществления того или иного химического превращения.
Подобные расчеты возможны на основании закона Гесса, являющегося следствием первого закона термодинамики. В соответствии с этим законом: тепловой эффект завысит только от вида (природы) и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути процесса, т. е. от числа и характера промежуточных стадий. Тепловой эффект химической реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ.
Расчет теплового эффекта реакции является реальной задачей, поскольку теплоты образования многих соединений известны. Химическая термодинамика описывает равновесные состояния систем. В реальных же условиях мы обычно наблюдаем системы в динамике, в неравновесном состоянии, подверженном влиянию многочисленных факторов извне. При этом наблюдаемые нами изменения процессов во времени и под влиянием различных факторов, которые определяются законами химии, являют собой пример замечательной скоординированности всех явлений.
Например, изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия — принципом Ле Шателье: Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благоприятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию.
Принцип Ле Шателье универсален, так как применим не только к химическим процессам, но и к физическим, таким, как плавление, кипение и т. д. Применительно к трем основным типам внешнего воздействия — изменению концентрации, давления и температуры — принцип Ле Шателье трактуется следующим образом: При увеличении концентрации одного из реагирующих веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, при уменьшении концентрации равновесие смещается в сторону образования этого вещества.