Водородная связь и агрегатное состояние вещества реферат

Обновлено: 04.07.2024

Ключевые слова конспекта: Водородная химическая связь: меж- и внутримолекулярная. Значение водородной связи в природе и жизни человека.

Молекулы электронейтральны, однако и между ними могут возникнуть силы взаимного притяжения, получившие название вандервальсова взаимодействия в честь голландского учёного, лауреата Нобелевской премии Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса. Причиной такого притяжения является электромагнитное взаимодействие электронов и ядер одной молекулы с электронами и ядрами другой. Межмолекулярные связи значительно менее прочные, чем химические. Однако именно они приводят к тому, что вещества молекулярного строения могут существовать в конденсированном, т. е. жидком или твёрдом, состоянии.

Силы Ван-дер-Ваальса — предмет изучения физики. Однако к межмолекулярному взаимодействию относят и водородную связь, которая имеет большое значение в химии и биологии.

Энергия водородной связи составляет всего лишь 4—40 кДж/моль, т. е. соответствует энергетической характеристике межмолекулярных сил. Поэтому её можно рассматривать как частный случай вандерваальсовых сил взаимодействия. Несмотря на низкие энергетические характеристики, а может быть именно благодаря им, водородная связь — основа организации и функционирования живой материи на нашей планете.

Это определение справедливо для межмолекулярной водородной связи.

Рассмотрим образование водородной связи на примере воды. Как вы уже знаете, молекула воды имеет угловое строение. Помимо двух общих с атомами водорода электронных пар, атом кислорода имеет две неподелённые электронные пары. Кислород, как атом более электроотрицательного элемента, обладает частичным отрицательным зарядом δ – . Атомы водорода несут частичный положительный заряд δ + . Вполне естественно, что между атомом водорода одной молекулы и неподелённой электронной парой атома кислорода другой молекулы возникает электростатическое притяжение (водородную связь обозначают троеточием):

В молекуле воды — два атома водорода и две неподелённые электронные пары. Следовательно, каждая молекула способна к образованию не одной, а четырёх водородных связей. Образуется своеобразный пространственный каркас, скрепляющий между собой множество молекул воды.

Водородная связь может возникать между атомами водорода и атомами неметаллов с высокой электроотрицательностью (фтора, кислорода, азота), обладающих неподелёнными парами электронов.

Водородная связь примерно в 10 раз слабее, чем ковалентная полярная, однако она сцепляет молекулы воды друг с другом. В результате вода приобретает аномальные свойства, которые позволяют считать её самым удивительным веществом на Земле.

Например, для того чтобы оторвать одну молекулу воды от другой, требуется затратить некоторое количество энергии. Если бы водородных связей не было, вода закипала бы при температуре –80 °С, а замерзала бы при –100 °С. В таком случае наша Земля превратилась бы в безжизненную пустыню: все реки, моря и океаны выкипели бы, а на небе не было бы ни облачка, ни тучки.

Удивительная красота и многообразие снежинок — также результат работы водородных связей.

Благодаря водородным связям вещества с низкими относительными молекулярными массами ассоциированы в жидкости, например, первые члены гомологических рядов предельных одноатомных спиртов и карбоновых кислот. Эти вещества, как и некоторые многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин), благодаря водородным связям неограниченно растворимы в воде:

Водородная связь способствует лёгкому переходу некоторых веществ (например, аммиака, фтороводорода) из газообразного состояния в жидкое и обратно:

Это свойство аммиака позволяет использовать его в качестве хладагента в промышленных холодильных установках.

Рассмотрим ещё одну разновидность водородной связи, которая играет большую роль в организации структур таких важнейших биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты. Так как эта связь возникает внутри полимерных молекул, она называется внутримолекулярная водородная связь. Именно эта связь определяет вторичную структуру белка и двойную спираль ДНК.

Разрушение вторичной структуры белка приводит к его денатурации.

Каждая половинка двойной спирали представляет собой полимер, построенный из четырёх видов нуклеотидов, — полинуклеотид. Строгий порядок расположения остатков нуклеотидов одной цепи ДНК напротив нуклеотидов другой формируется именно за счёт водородных связей по принципу комплементарности: между остатками аденинового (А) и тиминового (Т) нуклеотидов — две водородные связи, между цитозиновым (Ц) и гуаниновым (Г) — три водородные связи.

Водородные связи играют важную роль в процессе передачи наследственной информации. При самоудвоении ДНК водородные связи материнской молекулы разрываются и синтезируются две новые цепи полинуклеотидов, в соответствии с принципом комлементарности. В итоге возникают две новые молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь была взята из материнской ДНК, а вторая, комплементарная ей, была выстроена заново.

Водородные связи — основа соблюдения строгой программы синтеза мРНК и затем соответствующего белка. Следовательно, без водородных связей невозможно было бы существование белковых организмов на нашей планете.

За открытие структуры двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) американские биологи Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик были удостоены Нобелевской премии.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Министерство образования и науки Российской Федерации

Контрольная работа

вариант № 22

студентка ТП – 3 группы

Балашова Олеся Валентиновна

Преподаватель Конасова Анна Александровна

Дата проверки________________ Оценка__________________

Типы химических связей. Агрегатные состояния вещества, их общая характеристика. Типы химической связи.

Ковалентная связь – связь, осуществляемая общими электронными парами. Двуцентровая, двухэлектронная. Соединения с ковалентной связью называют атомными.

Ковалентная связь бывает:

- Неполярная ковалентная связь – то есть связь, при которой общая электронная пара принадлежит обеим атомам в ровной степени и находится симметрично относительно ядер атомов, образующих химическую связь.

- Полярная ковалентная связь – если атомы имеют различия электроотрицательности, то общая электронная пара смещается к элементу с более высокой электроотрицательностью.

Ионный тип связи – образование связи происходит за счёт электростатического притяжения между катионами и анионами. Соединения с таким типом химической связи называют ионными. Связь ненаправленная и ненасыщаемая, поскольку ионная связь действует сразу во всех направлениях и ионные соединения, это твёрдые тела с ионной кристаллической решеткой.

Металлическая связь - характерна для металлов в твёрдом и жидком состоянии. Элементы, образующие металлическую связь, имеют небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне и достаточное количество свободных орбиталей. Валентные орбитали соседних атомов перекрываются и электроны свободно перемещаются по ним при образовании кристаллической решетки. Таким образом, осуществляется связь между всеми атомами металла.

Водородная связь. Может быть как внутримолекулярной (в биополимерах), так и межмолекулярной (НО). Обладает направленностью и насыщаемостью.

Межмолекулярная водородная связь – связь между молекулами, содержащий сильно электроотрицательный элемент (кислород, азот, сера) и водород.

Агрегатные состояния вещества - состояния (фазы) одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, энтропии и др.). Обычно рассматривают газообразное, жидкое и твердое агрегатные состояния (иногда еще плазменное). Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии

Газ - агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, в связи с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь

Задачи урока: способствовать формированию знаний у учащихся о фазовых переходах, умения объяснять свойства вещества в различных агрегатных состояниях, на основе молекулярного строения вещества; развивать представление о материальности мира, содействовать развитию речи, мышления; воспитывать положительное отношение к предмету.

Агрегатные состояния вещества. Водородная химическая связь.

Вода – самое распространенное и самое удивительное вещество на нашей планете. Она вездесуща. На земле нет ничего, что не содержало бы воды. Покрывающий ¾ нашей земли океан, в котором миллиарды лет назад зародилась жизнь, - это вода. Снежные шапки горных вершин, бескрайние ледяные пустыни Арктики и Антарктики – это тоже вода. Тучи и облака, туман и осадки - и это вода.

В атмосферном воздухе всегда содержится вода в газообразном состоянии.

В жидкостях частицы вещества расположены гораздо ближе друг к другу, и благодаря силам взаимного притяжения молекул жидкости обладают такой важной характеристикой, как собственный объем. Поступательное движение молекул, хотя и затруднено по сравнению с газами, все-таки сохраняется. Это обусловливает такое важнейшее свойство жидкостей, как текучесть.

Большинство жидких веществ при охлаждении переходит в твердое агрегатное состояние. Такой процесс называют кристаллизацией. Для воды этот процесс происходит при температуре 0 0 С. Процесс перехода вещества из твердого агрегатного состояния в жидкое – плавление.

Частицы твердого вещества находятся настолько близко друг к другу, что очень ограничены в движении. Они совершают колебания, главным образом относительно положения равновесия, а вот перемещаться для них – почти неразрешимая задача. Силы взаимного притяжения частиц в твердых веществах настолько велики, что последние, как правило, не обладают текучестью и имеют не только объем, но и форму.

Все низкомолекулярные вещества могут переходить из твердого состояния сразу в газообразное. Такой процесс называют сублимацией. Процесс, обратный сублимации, называют десублимацией.

Почему же вещества молекулярного строения, у которых ковалентные связи образуются между атомами только в пределах одной молекулы, бывают и твердыми, и жидкими? Что заставляет молекулы в таких веществах притягиваться друг к другу?

Одним из видов молекулярного взаимодействия называется водородной связью. Рассмотрим ее на примере воды. Химические связи между молекулами водорода и кислорода ковалентные полярные. Молекула воды имеет угловое строение. Помимо двух общих с водородом электронных пар у атома кислорода имеются две пары собственных электронов, которые называют неподеленными. Кислород как более электроотрицательный атом обладает частичным отрицательным зарядом. Атомы водорода несут частично положительный заряд. Вполне естественно, что между атомом водорода одной молекулы воды и неподеленной электронной парой атома кислорода другой молекулы возникает электростатическое напряжение:

В молекуле воды два атома водорода и две неподеленные электронные пары атома кислорода. Следовательно, каждая молекула способна к образованию не одной, а четырех водородных связей. Образуется своеобразный каркас, скрепляющий между собой множество молекул воды.

Водородная связь может возникать между атомами водорода одной молекулы и атомами неметаллов с высокой электроотрицательностью, имеющими неподеленные электронные пары, другой молекулы.

Химическая связь между атомом элемента с высокой электроотрицательностью, имеющим неподеленные электронные пары (атом фтора, кислорода, азота), одной молекулы и атомом водорода другой молекулы называют водородной.

Чистые вещества и смеси

Один из самых любимых материалов скульпторов, архитекторов, строителей – мрамор. Окраска этой горной породы разнообразна. Основу мрамора составляет вещество – карбонат кальция. Почему мрамор бывает разного цвета? Потому что помимо карбоната кальция в его состав входят примеси, придающие окраску. Чистых веществ в природе, технике, быту совсем немного. Гораздо чаще встречаются смеси – сочетание двух или более веществ. Воздух – это смесь различных газов, нефть – природная смесь органических веществ.

Смеси различаются размером входящих в их состав частиц веществ. Иногда они настолько велики, что их можно видеть невооруженным глазом. Если смешать речной песок с сахарным, то без труда можно разделить отдельные кристаллики.

Смеси, в которых частички составляющих их веществ видны невооруженным глазом или под микроскопом, называют неоднородными, или гетерогенными. Есть смеси, при образовании которых вещества дробятся на мельчайшие частицы, не различимые даже в самый мощный микроскоп. Как бы вы не всматривались в воздух, различить составляющие его газы не удастся. Такие смеси называют однородными или гомогенными.

Состав газовой смеси характеризуется объемной долей каждого из ее компонентов.

Объемная доля () газа в смеси – отношение объема данного газа (V_г) к общему объему смеси (V_см), выраженное в долях единицы или процентах

Объемная доля показывает, какую часть общего объема смеси занимает конкретный газ.

Состав жидких и твердых смесей принято характеризовать величиной, которая называется массовой долей компонента.

Массовая доля (w) вещества в смеси – отношение массы данного вещества (m_в) к общей массе смеси (m_см), выраженное в долях единицы или процентах.

Типы химических связей. Агрегатные состояния вещества, их общая характеристика.

Типы химической связи.

Ковалентная связь бывает:

Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости.

Твердое тело - агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. В первых существует пространственная периодичность в расположении равновесных положений атомов. В аморфных твердых телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Устойчивым состоянием твердых тел является кристаллическое.

Баллон ёмкостью 30 л содержит 1 кг СО 2 . Вычислите давление в баллоне при 20 0 С.

m = 1кг R = 8.31 Дж/мольК

t = 20 0 C Т = 273 + 20 = 293 0 К

v = 30 л V = 30 х 10 -3 M 3

M(CO 2 ) = 44 г/моль М = 44 х 10 -3 кг/моль

P = 1кг х 8,31 Дж/мольК х 293 0 К = 1844568 Па = 1,8 МПа

44 х 10 -3 кг/моль х 30 х 10 -3 м 3

Принцип Ле Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации на смещение химического равновесия.

Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, осуществляется воздействие (изменяется температура, давление или концентрация вещества), то в первую очередь происходит та реакция, которая уменьшает это воздействие

Если давление растёт , равновесие смещается в сторону уменьшения объёма реагирующей системы

Если давление снижается , равновесие смещается в сторону увеличения объёма реагирующей реакции

Если температура растёт , равновесие смещается в сторону экзотермической реакции

Если температура снижается , равновесие смещается в сторону экзотермической реакции

Если растёт концентрация одного из реагентов, равновесие смещается в сторону продуктов реакции

Если снижается концентрация одного из реагентов, равновесие смещается в сторону обратной реакции (распада)

Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле Шателье:

если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие.

В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое — эндотермическому.

N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + Q

Прямая реакция — экзотермическая, а обратная реакция — эндотермическая.

Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры — в направлении экзотермической реакции.

Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объёма за счёт изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.

Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ (или исходных продуктов) с меньшим объёмом; при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объёмом:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH4, о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400°С:

Читайте также: