Конспект лекций по химии на тему "Металлическая и водородная химические связи"

Лекция 7. Металлическая и водородная химические связи. 1. Металлическая связь. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая  химическая связь. Физические свойства металлов. 2. Водородная связь. Агрегатные состояния веществ и водородная связь. Твердое, жидкое  и газообразное состояния веществ. Переход вещества из одного агрегатного состояния в  другое.  1. Металлическая связь. Металлическая кристаллическая решетка и  металлическая химическая связь. Физические свойства металлов. Атомы металлов характеризуются тремя особенностями: 1. имеют 1—3 электрона на внешнем энергетическом уровне (однако у атомов олова и свинца валентных электронов четыре, у сурьмы и висмута — пять, а у полония — шесть).  2 строение атомов металлов — их сравнительно большой радиус.  3.   атомы   металлов   имеют   большое   число   свободных   орбиталей   (у   атома   натрия, например,   один   валентный   электрон   располагается   на   третьем   энергетическом уровне, который имеет девять орбиталей (одну S­, три р­ и пять d­орбиталей). При   сближении   атомов   металлов   их   свободные   орбитали   перекрываются,   и валентные электроны получают возможность перемещаться с орбитали одного атома на свободные и близкие по энергии орбитали соседних атомов.  Атом, от которого «ушел» электрон, превращается при этом в ион. В результате этого в металлическом изделии   или   кусочке   металла   формируется   совокупность   электронов,   которые непрерывно перемещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положительным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая в ионы, и так бесконечно. В простых веществах — металлах существует бесконечный процесс превращений «атом   ион», который осуществляют валентные электроны, а частицы, из которых состоят металлы, так и называются атом­ионами. Образование металлической связи условно можно изобразить схемой:   То же самое наблюдается и в металлических сплавах. Металлической   связью   называют   связь   в   металлах   и   сплавах,   которая осуществляется совокупностью валентных электронов между атом­ионами металлов. Металлическая связь неразрывно связана и с особым кристаллическим строением  таллической кристаллической решеткой,  в узлах которой металлов и сплавов —  ме  расположены атом­ионы. Металлическая   кристаллическая   решетка   и   металлическая   связь   определяют   все наиболее   характерные   свойства   электропроводность,   металлический   блеск, способность к образованию сплавов. Пластичность  —   важнейшее   свойство   металлов   —   выражается   в   их   способности деформироваться   под   действием   механической   нагрузки.  Это   важнейшее   свойство металлов лежит в основе их обработки давлением (ковки, прокатки и др.), вытягивании из металлов проволоки под действием силы. Пластичность металла объясняется тем, что  под внешним воздействием одни слои атом­ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят друг относительно друга без разрыва связи между ними. Если между двумя плоскими стеклянными пластинками поместить несколько капель воды, то зеркальца будут легко скользить друг по другу, а вот разъединить их будет достаточно трудно. В нашем опыте вода играла роль совокупности валентных электронов металла. Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Для  своего знаменитого     опыта,     позволившего   создать   планетарную   модель   атома,   Э.   Резерфорд использовал именно золото, из которого можно изготовить тоненькую фольгу толщиной всего 0,003 мм.  Высокая  электропроводность  металлов  обусловлена наличием  в  них  совокупности подвижных электронов, которые под действием электрического поля приобретают направленное   движение.   Лучшими   проводниками   электрического   тока   являются серебро и медь.  Немного уступает им алюминий. Однако в большинстве стран все чаще электропроводка изготавливается не из меди, а из более дешевого алюминия. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец и ртуть, а также вольфрам и некоторые другие тугоплавкие металлы. Электрическое сопротивление вольфрама настолько велико, что   он   начинает   светиться   при   прохождении   через   него   тока,   что   используют   для изготовления нитей в лампах накаливания. Теплопроводность  металлов также объясняется высокой подвижностью электронов, которые,   сталкиваясь   с   колеблющимися   в   узлах   решетки   атом­ионами   металлов, обмениваются   с   ними   энергией.  С   повышением   температуры   эти   колебания   ионов   с помощью   электронов   передаются   другим   ионам,   и   температура   металла   быстро выравнивается.   О   практическом   значении   этого   свойства   вы   можете   судить   по равномерному нагреванию кухонной металлической посуды. Гладкая поверхность металла или металлического изделия имеет металлический блеск, который является результатом отражения   световых   лучей.   Высокой   световой   отражательной   способностью   обладают ртуть (ее раньше использовали для изготовления знаменитых венецианских зеркал; (почему теперь их производство прекратили?), серебро, палладий и алюминий. Из последних трех металлов изготавливают в настоящее время зеркала, прожектора и фары. В порошке металлы теряют блеск, приобретая черную или серую окраску, и только магний и   алюминий   сохраняют   его.   Поэтому   из   алюминиевой   пыли   изготавливают   краску серебрянку.   Большинство   металлов   имеют   серебристо­белый   цвет.   Золото   и   медь окрашены   соответственно   в   красно­желтый   (червонный)   или   красно­желтый   (медный) цвета.  Металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решетка характерны не только для чистых металлов, но для их сплавов.  Это отличает  ме­ таллические сплавы от других сплавов, как искусственных (стекла, керамики, фарфора, фаянса, так и природных (гнейсов, базальтов, гранитов и т. д.) неметаллических. Еще в глубокой древности люди заметили, что металлические сплавы обладают другими, нередко более полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы. У бронзы прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Чистый алюминий ­ очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди, никеля, называемый дюралюминием, в 4 раза проч­ нее алюминия на разрыв и используется в самолетостроении, а потому образно называется «крылатым» металлом. Чистые металлы используют редко. Чаще применяют их сплавы. Из чуть   более   80   известных   металлов   созданы   десятки   тысяч   различных   сплавов.   Кроме большей   прочности   сплавы   обладают   и   более   высокой   коррозионной   стойкостью   и твердостью,     чем   чистые   металлы.   Так,   чистая   медь   очень   плохо   поддается   литью,   а оловянная бронза имеет прекрасные литейные качества ­ из нее отливают художественные изделия, которые требуют тонкой проработки деталей. Чугун ­ сплав железа с углеродом ­ также великолепный литейный материал. Кроме высоких механических качеств, сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Например, нержавеющая сталь ­ сплав на основе железа ­ даже в агрессивных средах обладает высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать   устойчивые   к   коррозии,   сверхтвердые   и   тугоплавкие   сплавы,   применение которых значительно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплава вольфрама и ренин делают детали, выдерживающие температуру до 3000 °С. В медицине используют хирургические инструменты и имплантаты. 2. Водородная связь. Агрегатные состояния веществ и водородная связь. Твердое,  жидкое и газообразное состояния веществ. Переход вещества из одного агрегатного  состояния в другое.  Водородная связь — предмет дискуссий между физиками и химиками, с разных точек зрения рассматривающих этот тип химической связи. Физики утверждают, что это частный случай межмолекулярного взаимодействия, и аргументируют это тем, что энергия такой связи   составляет   всего   лишь   4—40   кДж/молъ,   т.   е.   вписывается   в   энергетическую характеристику межмолекулярных сил. Это самая значимая на нашей планете химическая связь, ибо она определяет структуру тех соединений, которые являются носителями жизни на Земле,  отвечают  за хранение  и воспроизведение  наследственной  информации  живых организмов.  Водородная   связь   ­   специфический   термин,   связанный   с   конкретным химическим элементом — водородом. Очевидно, это связано с особенностью строения атома   водорода,   имеющего   один­единственный   валентный   электрон.   Участвуя   в образовании   химической   связи,   этот   электрон   обнажает   крохотное   ядро   атома водорода, представляющее собой не что иное, как обыкновенный протон. Химическую связь между атомами водорода одной молекулы (или ее части) и атомами наиболее электроотрицательных элементов (фтор, кислород, азот) другой молекулы (или ее части) называют водородной. Образованием межмолекулярной водородной связи объясняет тот факт, что даже вещества с небольшими относительными молекулярными массами при обычных условиях  представляют собой жидкости (вода, спирты — метанол, этанол, пропанол, карбоновые  кислоты — муравьиная, уксусная) или легко сжижаемые газы (аммиак, фтороводород). Механизм образования водородной связи имеет двойную природу:  1. связан с электростатическим притяжением атома водорода, имеющего частичный  положительный заряд, и атома кислорода (фтора или азота), имеющего частичный  отрицательный заряд.  2. в образование водородной связи вносит свой вклад и донорно­акцепторное  взаимодействие между почти свободной орбиталью атома водорода и неподеленной  электронной парой атома кислорода (фтора или азота). Обозначают водородную  связь точками. Например, вода ассоциирована в жидкость за счет водородных связей, возникающих между молекулами­диполями.   В жидкой воде образуются водородные связи между множеством молекул. А вот  молекулы карбоновых кислот наиболее устойчивы в виде димеров, также образо­ ванных водородными связями:   Алхимическое правило растворения «подобного в подобном» объясняется  образованием водородной связи между молекулами растворителя и молекулами  растворенного вещества. Так, метиловый и этиловый спирты, этиленгликоль и глицерин, уксусная и  муравьиная кислоты неограниченно растворяются в воде, например: Способность некоторых газов, например аммиака, за счет образования водородных связей   легко сжижаться (при давлении 0,9 МПа и комнатной температуре) и вновь переходить в  газообразное состояние с поглощением теплоты позволяет использовать их в качестве  хладоагентов в промышленных холодильных установках. Именно образованием водородных связей объясняются аномально высокие температуры  кипения (100 ºС) и плавления (0 °С) воды. Плотность воды при переходе в твердое  состояние (лед, снег) не увеличивается, а уменьшается. Это объясняет тот факт, что лед  легче воды и не тонет в ней, а потому глубокие водоемы не промерзают зимой до дна, тем  самым сохраняя жизнь водным обитателям. Водородные связи в немалой степени  способствуют образованию кристаллов в виде бесконечного разнообразия снежинок и  изморози.   Это  разновидности водородной связи, которую называют межмолекулярной водородной  связью.  Однако еще более важна   в   организации   структур   молекул   биополимеров внутримолекулярная   водородная   связь.  Эта   связь определяет   вторичную   структуру   белковых   молекул. Полипептидная   цепь   закручена   в   спираль,   витки   которой удерживаются   от   раскручивания   за   счет   образования   водо­ родных   связей   между   пептидными   фрагментами   участков белковой   молекулы.   Вторичная   структура   молекулы   белка создастся за счет водородных связей. Будучи очень непрочной, водородная связь в белках может легко разрушаться ­ белки денатурируют. Такая денатурация может быть обратимой и  необратимой.  Обратимая   денатурация  белковых  молекул  имеет  социальное   значение. Так,   денатурирующими   факторами   белков   человеческого   организма   могут   служить механические воздействия, которым подвергаются работники дорожных служб, шахтеры, горняки   и   другие   специалисты,   использующие   вибрирующие   инструменты,   действие высоких   температур   (рабочие   горячих   цехов   ­   металлурги,   стекловары   и   т.   д.). Необратимая   денатурадия   белка   вам   хорошо   известна   по   процессу   варки   яиц   или приготовления мяса, рыбы и других белковых продуктов: о том, какие факторы могут привести к разрушению природной структуры белковых молекул, красноречиво расскажут несложные   опыты.   Если   к   раствору   белка   куриного   яйца   прилить   немного   этилового спирта или соли тяжелого металла (медного купороса, нитрата свинца (II)), то нетрудно бу­ дет заметить выпадение осадка вследствие денатурации белка. Аналогичным действием обладает никотин. Может быть, эти опыты  помогут вам понять, как губительны такие вредные   привычки,   как   курение   и   употребление   спиртного.   Водородная   связь   играет важнейшую   роль   в   организации   структуры   и   функционирования   таких   природных биополимеров, как нуклеиновые кислоты. Так, двойная спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК­ построена в полном соответствии с принципом комплементарности, или дополнительности. Он заключается в том, что напротив аденинового нуклеотида (А) одной полинуклеотидной цепи всегда располагается не любой, а только тиминовый нуклеотид (Т), а напротив гуанинового нуклеотида (Г) ­ обязательно цитозиновый нуклеотид (Ц). Все дело в том, что между этими нуклеотидами возникают водородные связи: между А и Т — две водородные связи, между Ц и Г — три. Аналогичную   роль   играют   водородные   связи   и   в   процессе   передачи   наследственной информации.   Так,   при   самоудвоении   ДНК   (этот   процесс,   как   вы   помните,   называют репликацией) водородные связи разрываются, полинуклеотидные цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи за   счет   возникновения   новых   водородных   связей.   Таким   образом,   после   репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль была взята из родительской ДНК, а вторая (комплементарная) спираль синтезирована заново. Не менее важны водородные связи и в процессе транскрипции, т. е. переписывания информации о со­ ставе синтезируемого впоследствии белка на полинуклеотидную цепь иРНК. Аналогична роль   водородных связей и в трансляции, т.   е.   передаче   информации   о   последовательности   аминокислот   в   белковой   молекуле   в рибосомы, где происходит ее сборка. Контрольные вопросы: 1.Сформулируйте определение «металлическая химическая связь» 2. Перечислите особенности атомов металлов 3.Перечислите свойства металлов. 4. Сформулируйте определение «водородная химическая связь» 5.Назовите механизм образования водородной связи.