Մոլեկուլներ և միացություններ

Ատոմը տարրի փոքրագույն մասնիկն է, որը պահպանում է նրա հիմնական քիմիական հատկությունները: Քիմիան գլխավորապես ուսումնասիրում է այն ամենը, ինչ տեղի է ունենում, երբ ատոմները միացություններ առաջացնելու համար կապվում են այլ ատոմների հետ: Միացությունը քիմիական կապով միմյանց հետ կապված որոշակի ատոմների խումբ է: Ատոմի կառուցվածքը պահպանվում է դրական լիցքավորված միջուկի և նրա շուրջը բացասական լիցքավորված էլեկտրոնների միջև առկա էլեկտրոստատիկ ձգողության ուժերով: Այդ նույն տեսակի ուժերով է պայմանավորված քիմիական կապի կայունությունը: Հետագա նյութն ավելի լավ պատկերացնելու համար դիտարկենք քիմիական կապի երկու հիմնական տեսակները՝ կովալենտային և իոնային կապերը: Կովալենտային կապն առաջանում է երկու ատոմների միջև ընդհանրացված էլեկտրոնային զույգի շնորհիվ, իսկ իոնային կապ առաջացնելիս ատոմների միջև տեղի է ունենում էլեկտրոն(ներ)ի լրիվ անցում, որի հետևանքով գոյանում են իոններ: Քիմիական կապի այս երկու տեսակներն ուսումնասիրենք ավելի մանրամասն:

Կովալենտային կապն առաջանում է երկու ատոմների միջև ընդհանրացված էլեկտրոնային զույգի միջոցով: Կովալենտային կապի կայունությունը պայմանավորված է կապի առաջացմանը մասնակցող երկու ատոմների դրականապես լիցքավորված միջուկների և ընդհանրացված՝ բացասական լիցք ունեցող էլեկտրոնային զույգի միջև առկա էլեկտրաստատիկ ձգողության ուժերով:

Երբ ատոմները միմյանց հետ կապվում են կովալենտային կապերով, առաջանում է ատոմների խումբ, որը կոչվում է մոլեկուլ: Հետևաբար կարող ենք ասել, որ մոլեկուլը կովալենտային միացության պարզագույն միավորն է: Այժմ մենք կտեսնենք, որ մոլեկուլները պատկերելու և ներկայացնելու համար գոյություն ունեն տարբեր եղանակներ:

Քիմիական բանաձևերը, որոնք երբեմն կոչվում են նաև մոլեկուլային բանաձևեր, մոլեկուլը ներկայացնելու ամենապարզ ձևերն են: Քիմիական բանաձևեր կազմելիս մենք կիրառում ենք պարբերական համակարգի տարրերի քիմիական նշանները, որպեսզի նշենք, թե որ տարրերն են առկա մոլեկուլում: Ինդեքսը՝ դասիչը, ցույց է տալիս տվյալ տարրի ատոմների քանակը մոլեկուլում: Օրինակ՝ NH$_\purpleC{3}$start subscript, start color #aa87ff, 3, end color #aa87ff, end subscript-ի՝ ամոնիակի մեկ մոլեկուլը պարունակում է ազոտի մեկ և ջրածնի երեք ատոմ, իսկ N$_\blueD{2}$start subscript, start color #11accd, 2, end color #11accd, end subscriptH$_\redD{4}$start subscript, start color #e84d39, 4, end color #e84d39, end subscript-ի՝ հիդրազինի մեկ մոլեկուլը պարունակում է ազոտի երկու և ջրածնի չորս ատոմ:

Յուրացված գիտելիքի ստուգում։ Քացախի բաղադրության մեջ մտնող հիմնական թթվի՝ քացախաթթվի քիմիական բանաձևը C$_2$start subscript, 2, end subscriptH$_4$start subscript, 4, end subscriptO$_2$start subscript, 2, end subscript-ն է: Քանի՞ թթվածնի ատոմ կա քացախաթթվի երեք մոլեկուլում:

Քիմիա սովորելիս կնկատես, որ քիմիկոսները մոլեկուլային բանաձևերը երբեմն գրում են տարբեր ձևերով: Օրինակ՝ ինչպես քիչ առաջ տեսանք, քացախաթթվի քիմիական բանաձևը C$_2$start subscript, 2, end subscriptH$_4$start subscript, 4, end subscriptO$_2$start subscript, 2, end subscript-ն է, սակայն այն հաճախ գրվում է CH$_3$start subscript, 3, end subscriptCOOH: Երկրորդ բանաձևի միջոցով ցույց է տրվում մոլեկուլի կառուցվածքը՝ ըստ գրված ատոմների հերթականության: Սա հաճախ կոչվում է կառուցվածքային սեղմ բանաձև: Այսպիսով՝ մենք կարող ենք մտածել, որ CH$_3$start subscript, 3, end subscriptCOOH-ը միջանկյալ դիրք է զբաղեցնում քիմիական և կառուցվածքային բանաձևերի միջև, որն ավելի խորությամբ կուսումնասիրենք հաջորդ թեման քննարկելիս:

Քիմիական բանաձևերը մեզ միայն ցույց են տալիս յուրաքանչյուր տարրի ատոմների քանակը մոլեկուլում, իսկ կառուցվածքային բանաձևերը նաև ցույց են տալիս, թե ինչպես են այդ ատոմները կապված միմյանց հետ տարածության մեջ: Կառուցվածքային բանաձևերում մենք պատկերում ենք ատոմների միջև առկա կովալենտային կապերը: Նախորդ բաժնում մենք ուսումնասիրել ենք ամոնիակի մոլեկուլի քիմիական բանաձևը՝ NH$_3$start subscript, 3, end subscript: Այժմ եկեք ուսումնասիրենք դրա կառուցվածքային բանաձևը:

Վերևի նկարում բերված երկու կառուցվածքային բանաձևերից կարող ենք տեսնել, որ ազոտի կենտրոնական ատոմը յուրաքանչյուր ջրածնի ատոմի հետ կապված է մեկ կովալենտային կապով: Պետք է նկատի ունենալ, որ ինչպես տիեզերքում գոյություն ունեցող յուրաքանչյուր բան, ատոմներն ու մոլեկուլները նույնպես գոյություն ունեն եռաչափ տարածության մեջ. նրանք ունեն երկարություն, լայնություն և խորություն: Նկարի ձախ մասում մենք միայն տեսնում ենք ամոնիակի մոլեկուլի մոտավոր երկչափ պատկերը: Սակայն նկարի աջ մասում՝ ավելի մանրակրկիտ ներկայացված կառուցվածքային բանաձևում, մենք տեսնում ենք կետագիծ, ինչը ցույց է տալիս, որ ամենաաջ ջրածնի ատոմը էկրանի հարթության հետևի մասում է, իսկ մգացված սեպը ցույց է տալիս, որ կենտրոնական ջրածնի ատոմը էկրանի հարթության առջևի մասում է: Ազոտի վրա եղած երկու կետերը ցույց են տալիս ազատ էլեկտրոնային զույգը, որը չի մասնակցում որևէ կովալենտային կապի առաջացման մեջ: Նման էլեկտրոնների նշանակությունը կքննարկենք այս բաժնի վերջում: Այս եռաչափ կառուցվածքն ավելի ճշգրիտ ներկայացնելու համար մենք կարող ենք հիմնվել ինչպես տարածական մոդելների, այնպես էլ գնդաձողային մոդելների վրա: Եկեք մոդելների այս երկու տեսակը քննարկենք NH$_3$start subscript, 3, end subscript-ի համար:

Նկարի ձախ հատվածում պատկերված է ամոնիակի տարածական մոդելը: Ազոտի ատոմը ներկայացված է կապույտ մեծ գնդի, իսկ ջրածնի երեք ատոմները՝ սպիտակ փոքր գնդերի միջոցով, որոնք մոլեկուլին տալիս են եռոտանու տեսք: Ընդհանուր մոլեկուլն ընդունում է բուրգի ձև, որի գագաթում ազոտի ատոմն է, իսկ հիմքի եռանկյունը կազմում են ջրածնի երեք ատոմները: Այսպիսի դասավորությունը կոչվում է եռանկյուն բուրգ, որին կծանոթանաս մոլեկուլների ձևերը և մոլեկուլային երկրաչափությունն ուսումնասիրելիս: Տարածական մոդելների առավելությունն այն է, որ մեզ հնարավորություն է տալիս համեմատելու տարբեր ատոմների հարաբերական չափերը, օրինակ՝ ազոտի ատոմի շառավիղը ջրածնի ատոմի շառավղից մեծ է:

Նկարի աջ մասում պատկերված է ամոնիակի մոլեկուլի գնդաձողային մոդելը: Դժվար չէ գուշակել, որ գնդերի միջոցով ներկայացված են ատոմները, իսկ ատոմները միմյանց միացնվող ձողերի միջոցով՝ դրանց միջև առկա կովալենտային կապերը: Այս մոդելի առավելությունն այն է, որ մենք կարողանում ենք տեսնել կովալենտային կապերը, որոնք մեզ նաև թույլ են տալիս ավելի հեշտությամբ տեսնել մոլեկուլի երկրաչափական տեսքը:

Այժմ, երբ մենք պատկերացում ունենք կովալենտային կապի մասին, կարող ենք սկսել քիմիական կապի մյուս հիմնական տեսակի՝ իոնային կապի քննարկումը: Ի տարբերություն կովալենտային կապի, որում էլեկտրոններն ընդհանրացվում են ատոմների միջև, իոնային կապն առաջանում է հակառակ լիցքով երկու իոնների միջև առկա ձգողության ուժերի շնորհիվ: Ասվածն ավելի լավ պատկերացնելու համար առաջին հերթին պետք է ուսումնասիրենք իոնների առաջացումն ու կառուցվածքը:

Հիշենք, որ չեզոք ատոմն ունի հավասար քանակով պրոտոններ և էլեկտրոններ: Դրա արդյունքում պրոտոնների ամբողջ դրական լիցքը չեզոքացնում է էլեկտրոնների բացասական լիցքը: Արդյունքում ատոմն ունենում է ընդհանուր զրո լիցք:

Այնուամենայնիվ, եթե ատոմը ստանում կամ կորցնում է էլեկտրոն (կամ էլեկտրոններ), էլեկտրոնների և պրոտոնների քանակն այլևս հավասար չի լինում, և առաջանում է իոն: Եկեք տեսնենք, թե ինչ է տեղի ունենում, երբ չեզոք ատոմը կորցնում է էլեկտրոն (կամ էլեկտրոններ):

Վերևի նկարում տեսնում ենք, որ նատրիումի չեզոք ատոմը կորցրել է էլեկտրոն: Արդյունքում առաջանում է նատրիումի իոն՝ Na$^+$start superscript, plus, end superscript, որը պարունակում է 11 պրոտոն և միայն 10 էլեկտրոն: Այսպիսով՝ նատրիումը ձեռք է բերում 1+ լիցք և վերածվում դրականապես լիցքավորված իոնի՝ կատիոնի:

Իսկ այժմ կուսումնասիրենք բացասական իոնի՝ անիոնի առաջացումը:

Այս նկարում տեսնում ենք հակառակ գործընթացը: Այստեղ քլորի չեզոք ատոմը՝ Cl, ստանում է մեկ էլեկտրոն: Արդյունքում առաջացած քլորիդ իոնը՝ Cl$^-$start superscript, minus, end superscript, պարունակում է 17 պրոտոն և 18 էլեկտրոն: Քանի որ էլեկտրոններն ունեն 1- լիցք, քլորիդ իոնի ընդհանուր լիցքը առկա մեկ ավել էլեկտրոնի հաշվին դառնում է 1-: Այսինքն՝ քլորը վերածվել է բացասականապես լիցքավորված իոնի՝ անիոնի:

Նշում։ Երբ չեզոք ատոմները ստանում են էլեկտրոն կամ էլեկտրոններ՝ առաջացնելով անիոններ, անվանելիս ստանում են -իդ վերջածանցը: Օրինակ՝ Cl$^-$start superscript, minus, end superscript-ը քլորիդն է, Br$^-$start superscript, minus, end superscript-ը՝ բրոմիդը, O$^{2-}$start superscript, 2, minus, end superscript-ը՝ օքսիդը, N$^{3-}$start superscript, 3, minus, end superscript-ը՝ նիտրիդը և այլն։

Վերջին հատվածում առանձին ուսումնասիրեցինք, թե ինչպես է նատրիումը կորցնում էլեկտրոն՝ առաջացնելով Na$^+$start superscript, plus, end superscript կատիոն, և թե ինչպես է քլորը վերցնում էլեկտրոն՝ առաջացնելով Cl$^-$start superscript, minus, end superscript անիոն: Այնուամենայնիվ, այս գործընթացն իրականում կարող է տեղի ունենալ մեկ քայլով, երբ նատրիումն իր էլեկտրոնը տրամադրի քլորին: Սա կարող ենք բացատրել հետևյալ նկարի միջոցով.

Այստեղ կարող ենք տեսնել՝ ինչպես է էլեկտրոնն անցում կատարում նատրիումից քլորին, որպեսզի առաջանան Na$^+$start superscript, plus, end superscript և Cl$^-$start superscript, minus, end superscript իոնները: Այս իոնների առաջացումից հետո նրանց միջև գործում է ուժեղ էլեկտրաստատիկ ձգողություն, որը հանգեցնում է իոնային կապի առաջացմանը: Կարող ենք տեսնել, որ իոնային և կովալենտային կապերի միջև ակնհայտ տարբերությունն այն է, որ իոնային կապի առաջացման դեպքում դիտվում է էլեկտրոնի ամբողջական անցում, մինչդեռ կովալենտային կապի դեպքում էլեկտրոններն ընդհանրացվում են:

Նշում։ Ինչքան շատ իմանաս կապերի մասին, կտեսնես, որ իրականում կովալենտային և իոնային կապերն այնքան էլ տարբեր չեն, ինչպես սպիտակն ու սևը, նրանք իրականում ավելի նման են ընդհանուր սպեկտրի երկու ծայրերին: Կարող ենք ասել, որ լրիվ իոնային կապում էլեկտրոններն ընդհանուր առմամբ անհավասար են ընդհանրացված, մինչդեռ լրիվ կովալենտային կապում կան հավասարապես ընդհանրացված էլեկտրոններ: Այնուամենայնիվ, իրականում քիմիական կապերի մեծ մասը այս երկու դեպքերի միջև է։

Այժմ դիտարկենք տարբեր եղանակներ, որոնցով կարող ենք գծել կամ պատկերել իոնային կապերը: Մենք կշարունակենք քննարկել ամենատարածված իոնային միացությունը՝ նատրիումի քլորիդը, որը լավ հայտնի է որպես կերակրի աղ: Նատրիումի քլորիդում միակի իոնային կապը կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ.

Դրականապես լիցքավորված նատրիումի կատիոնը և բացասականապես լիցքավորված քլորիդ անիոնը իրար մոտ են էլեկտրաստատիկ ձգողության ուժերի շնորհիվ: Երկու իոնների միջև մենք չենք պատկերում գիծ, ինչպես անում էինք կովալենտային կապի դեպքում, քանի որ ոչ մի էլեկտրոն ընդհանրացված չէ: Պարզապես ընդունում ենք, որ հակառակ լիցք ունեցող իոնների միջև գործում են ձգողության ուժեր:

Վերևում բերված տրամագիրը, այնուամենայնիվ, պարզապես մոդել է: Բնության մեջ նատրիումի քլորիդը գոյություն չունի որպես մեկ նատրիումի կատիոն՝ միացած մեկ քլորիդ անիոնի: Արդեն նշել ենք, որ նատրիումի քլորիդը կերակրի աղն է, և եթե մենք հնարավորություն ունենայինք օգտագործելու գերհզոր մանրադիտակ՝ կերակրի աղն ատոմային մակարդակով ուսումնասիրելու համար, կտեսնեինք ստորև բերված կառուցվածքին նման մի պատկեր.

Այս տրամագրից երևում է, որ Na$^+$start superscript, plus, end superscript և Cl$^-$start superscript, minus, end superscript իոնները տարածության մեջ իրար մոտ են դասավորված էլեկտրաստատիկ ձգողության ուժերի շնորհիվ: Իոնները իրենց տեղերում մնում են ուժեղ իոնային կապի շնորհիվ: Վերևում ներկայացված կառուցվածքը հայտնի է որպես բյուրեղացանց, և նատրիումի քլորիդը մի շարք իոնային միացությունների պես բյուրեղային պինդ նյութ է: Այս մասին ավելին կիմանաս հետագա դասերի ընթացքում, երբ ուսումնասիրես տարբեր տեսակի պինդ միացություններ:

Այժմ, երբ արդեն քննարկել ենք կովալենտային և իոնային կապերի հիմունքները, պետք է ընդգծենք որոշ կարևոր տարբերություններ: Արդեն գիտենք, որ միայն կովալենտային կապով կապված ատոմների խումբը կոչվում է մոլեկուլ: «Մոլեկուլ» բառը պետք է կիրառվի միայն կովալենտային միացությունները քննարկելիս: Իոնային միացությունների, օրինակ՝ նատրիումի քլորիդի համար չի կիրառվում «մեկ մոլեկուլ նատրիումի քլորիդ» հասկացությունը, քանի որ նատրիումի քլորիդը կազմված է բազմաթիվ նատրիումի և քլորիդ իոններից, որոնք մեծ բյուրեղացանցում դասավորված են իրար կողքի այնպես, ինչպես որ ներկայացված էր նախորդ տրամագրում: Մեկ նատրիումի քլորիդի համար կիրառում ենք ոչ թե «մոլեկուլ», այլ «բանաձևային միավոր» հասկացությունը: Պետք է հիշել, որ ի տարբերություն մեկ մոլեկուլի՝ բնության մեջ բանաձևային մեկ միավորն առանձին գոյություն չունի: Մենք հիմնվում ենք բանաձևային միավորների վրա հարմարության և դյուրին ներկայացման համար:

Յուրացված գիտելիքի ստուգում։ Ո՞ր տեսակի միացություններն են կազմված մոլեկուլներից՝ իոնայի՞ն, թե՞ կովալենտային:

Բոլոր տեսակի քիմիական կապերն առաջանում են էլեկտրաստատիկ ձգողության ուժերի շնորհիվ: Երբ ատոմները կապվում են քիմիական կապով, առաջանում են միացություններ՝ յուրահատուկ կառուցվածքներ, որոնք կազմված են երկու կամ ավելի ատոմներից: Միացության հիմնական բաղադրությունը կարող է նշվել քիմիական բանաձևի միջոցով: Քիմիական բանաձևը կազմելիս օգտագործվում են պարբերական համակարգում բերված տարրերի քիմիական նշանները՝ ցույց տալու համար, թե որ տարրերն են առկա տվյալ միացությունում: Ինդեքսում՝ դասիչում, գրված թիվը ցույց է տվյալ միացության մեջ առկա յուրաքանչյուր տարրի ատոմների քանակը:

Միացությունները կարող են լինել կովալենտային կամ իոնային: Կովալենտային միացություններում ատոմների միջև առաջանում են կովալենտային կապեր, որոնք բաղկացած են երկու հարակից ատոմների միջուկների միջև ընդհանրացված էլեկտրոնային զույգերից: Կովալենտային միացության օրինակ է ամոնիակը՝ NH$_3$start subscript, 3, end subscript քիմիական բանաձևով, ինչը մեզ ցույց է տալիս, որ ամոնիակի մեկ մոլեկուլը բաղկացած է ազոտի մեկ և ջրածնի երեք ատոմներից: Կովալենտային միացության կառուցվածքը կարելի է պատկերել ինչպես տարածական, այնպես էլ գնդաձողային մոդելների միջոցով:

Իոնային միացություններում էլեկտրոններն ամբողջական անցում են կատարում մեկ ատոմից մյուսն այնպես, որ առաջանան կատիոն և անիոն: Հարակից կատիոնի և անիոնի միջև գործող ուժեղ էլեկտրաստատիկ ձգողության ուժը հայտնի է որպես իոնային կապ: Իոնային միացության ամենատարածված օրինակը նատրիումի քլորիդն է, որը հայտնի է որպես կերակրի աղ: Ի տարբերություն կովալենտային միացության՝ իոնային միացության համար կիրառելի չէ «մոլեկուլ» հասկացությունը: Պատճառն այն է, որ բնության մեջ NaCl-ը գոյություն ունի ոչ թե առանձին միավորների տեսքով, այլ բյուրեղացանցային կառուցվածքներով, որոնք բաղկացած են բազմաթիվ Na$^+$start superscript, plus, end superscript և Cl$^-$start superscript, minus, end superscript իոններից: NaCl քիմիական բանաձևի միջոցով ներկայացվում է այս միացության մեկ բանաձևային միավորը: