Молекулы — урок. Химия, 8–9 класс.

Молекулы характеризуются качественным и количественным составом.

 

Качественный состав показывает, из каких атомов состоит молекула.

Пример:

молекулы воды и пероксида водорода состоят из атомов водорода и кислорода, а молекула углекислого газа — из атомов углерода и кислорода.

Количественный состав показывает, сколько атомов каждого вида содержится в молекуле.

Пример:

молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а молекула пероксида водорода — из двух атомов водорода и двух атомов кислорода.

В молекулах может быть разное число атомов.

 

У инертных газов гелия, неона, аргона, криптона, ксенона, радона молекулы одноатомные.

 

Молекулы кислорода, водорода, азота, хлора, брома, иода двухатомные.

 

Молекула озона состоит из \(3\) атомов, а серы — из \(8\).

 

Молекула этилового спирта содержит \(2\) атома углерода, \(6\) атомов водорода и \(1\) атом кислорода, а молекула сахара — \(12\) атомов углерода, \(22\) атома водорода и \(11\) атомов кислорода.

 

Модели молекул: \(1\) — азота, \(2\) —  кислорода,

\(3\) —  неона, \(4\) — углекислого газа, \(5\) — воды,

\(6\) — озона, \(7\) — терпинеола

  

Химические свойства молекулы определяются тем, сколько и каких атомов в ней содержится, а также в каком порядке они соединены друг с другом.

Пример:

молекулы кислорода и озона отличаются только количественным составом. Кислород — газ без запаха. Необходим живым организмам для дыхания. Озон имеет запах, может вызывать отравление.

В химических реакциях молекулы не сохраняются, а разрушаются до атомов.

Устройство молекул

Познакомимся теперь вкратце с устройством молекул, т. е. частиц, в которых объединено несколько атомов. В основном существуют два способа образования молекул из атомов.

Первый из этих способов основан на возникновении из нейтрального атома электрически заряженной частицы. Мы уже указывали выше, что атом является нейтральным, т. е. число положительных зарядов в его ядре (число протонов) уравновешивается числом отрицательных зарядов, т. е. числом вращающихся вокруг ядра электронов.

Если по каким-либо причинам атом теряет один или несколько электронов, то в его ядре оказывается некоторый избыток положительных зарядов, не уравновешенных отрицательно заряженными электронами, и такой атом становится положительно заряженной частицей.

Такие электрически заряженные частицы называются ионами. Они и способствуют образованию молекул из атомов.

Изучение свойств различных химических элементов показывает, что во всех случаях являются наиболее устойчивыми те из них, у которых внешняя электронная орбита заполнена целиком, либо содержит наиболее устойчивое число электронов — 8.

Это блестяще подтверждает таблица Менделеева, где в нулевой группе расположены наиболее инертные (т. е. устойчивые и не вступающие в химические реакции с другими веществами) элементы.

Это, во-первых, гелий, который имеет одну орбиту, заполненную двумя электронами, и газы неон, аргон, криптон, ксенон и радон, которые имеют во внешней орбите восемь электронов.

Наоборот, если внешняя орбита атомов имеет всего лишь один-два электрона, то такие атомы имеют склонность отдавать эти электроны другим атомам, у которых во внешней орбите не хватает 1-2 электрона до числа восемь. Такие атомы являются наиболее активными к взаимодействию друг с другом.

Возьмем для примера молекулу поваренной соли, называемой в химии хлористым натрием и образованной, как показывает ее название, из атомов натрия и хлора. У атома натрия на внешней орбите имеется один электрон, а у атома хлора — семь электронов.

Если эти два атома приблизятся друг к другу, то один электрон натрия, находящийся на внешней орбите и слабо «привязанный» к своему атому, может оторваться от него и перейти к атому хлора, у которого во внешней орбите он будет восьмым электроном (рис. 4,а).

В результате такого перехода образуются два иона: положительный ион натрия и отрицательный ион хлора (рис. 4,б), притягивающиеся друг к другу и образующие молекулу хлористого натрия, которую можно представить, как два шарика, стянутые пружиной (рис. 4,в).

Второй способ образования молекул из атомов состоит в том, что при сближении двух или более атомов находящиеся у этих атомов во внешних орбитах электроны перестраиваются таким образом, что становятся связанными с двумя или несколькими атомами. Электроны же, находящиеся на внутренних орбитах, продолжают оставаться связанными только с данным атомом.

При этом опять-таки имеется стремление образовывать наиболее устойчивые орбиты из восьми электронов.

Рис. 4. Схема образования молекулы хлористого натрия.

Приведем несколько примеров таких молекул.

Возьмем молекулу углекислого газа, состоящую из атома углерода и двух атомов кислорода. При образовании этой молекулы происходит следующее перестраивание электронов внешних орбит этих атомов (рис 5)

Рис. 5. Схема молекулы углекислого газа.

Атом углерода оставляет связанным со своим ядром два электрона на внутренней орбите, а четыре электрона, находящиеся на его внешней орбите, распределяются по два электрона на каждый атом кислорода, которые в свою очередь отдают каждый по два электрона для общей связи атома углерода.

Таким образом, в каждой связи углерод-кислород участвуют взаимно две пары электронов, в результате чего каждый из трех атомов такой молекулы имеет устойчивую внешнюю орбиту, по которой вращаются восемь электронов.

Имеются, как известно, молекулы, не только образованные из различных элементов, но и из одинаковых атомов.

Образование таких молекул также объясняется стремлением к наиболее устойчивому восьмерному числу электронов во внешней орбите.

Так, например, атому кислорода, имеющему два электрона во внутренней орбите и шесть электронов в наружной орбите, не хватает двух электронов для образования восьмерного окружения.

Поэтому эти атомы соединяются по два, образуя молекулу кислорода О₂, в которой по два электрона от каждого атома обобщаются, после чего вокруг них во внешней орбите будет вращаться по восемь электронов.

При образовании молекул по второму способу, когда происходит обмен электронами между атомами, центрам атомов требуется сблизиться более, чем по первому способу, когда происходит только взаимное притяжение противоположно заряженных ионов.

Поэтому, если в первом способе можно себе представить такую молекулу в виде двух соприкасающихся шаров-ионов (рис. 4,в), не меняющих свои размеры и форму, то при втором способе шарообразные атомы как бы сплющиваются.

Современные методы исследования строения веществ позволяют не только знать, из каких атомов состоят различные молекулы, но также как располагаются атомы в молекулах, т. е. структуру этих молекул вплоть до расстояний между ядрами атомов, входящих в состав молекул.

На рис. 6 показаны структуры молекул кислорода и углекислого газа, а также расположение ядер атомов в этих молекулах с указанием межъядерных расстояний в ангстремах.

Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, имеет форму двух спрессованных шаров с расстоянием между ядрами атомов 1,20А. Молекула углекислого газа, состоящая из трех атомов, имеет прямолинейную форму с атомом углерода в середине и расположенных по обе стороны от него по прямой линии двух атомов кислорода с межъядерными расстояниями 1,15 А.

Рис. 6. Структуры молекул: а — расположение атомов; б — расположение ядер атомов; 1 — молекула кислорода О₂; 2 — молекула углекислого газа СО

2.

Новый материал ловит молекулы углекислого газа

Исследователи из Японии и Китая разработали новый материал, который может избирательно захватывать молекулы углекислого газа (CO2) и эффективно превращать их в полезные органические материалы.

Исследователи из Университета Киото, Университета Токио (Япония) и Университета Цзянсу (Китай) разработали новый материал, который может избирательно захватывать молекулы углекислого газа (CO2) и эффективно превращать их в полезные органические материалы, передает портал EurekAlert! со ссылкой на сайт Университета Киото. Описание материала появилось в журнале Nature Communications

.

Новый материал представляет собой пористый координационный полимер (PCP, также известный как MOF, металл-органический каркас) – каркас, состоящий из ионов металла цинка. Исследователи проверили свой материал с помощью рентгеноструктурного анализа и обнаружили, что он может избирательно захватывать только молекулы CO2 с десятикратной эффективностью по сравнению с другими PCP.

Потребление человеком ископаемого топлива привело к увеличению глобальных выбросов CO2, что привело к серьезным проблемам, связанным с глобальным потеплением и изменением климата. Один из способов, который поможет этому противостоять, – «удалить» углерод из атмосферы, но современные методы подобной «очистки» очень энергоемки. Низкая реакционная способность углекислого газа затрудняет его улавливание и преобразование.

Как новый материал схватывает молекулы углекислого газа? У него есть органический компонент с молекулярной структурой, похожей на пропеллер: когда молекулы CO2 приближаются к материалу, эти «пропеллеры» вращаются и перестраиваются, чтобы обеспечить захват СО2, что приводит к небольшим изменениям в молекулярных каналах в PCP. Материал действует как молекулярное сито, способное распознавать молекулы углекислого газа по размеру и форме. Важное преимущество PCP: его можно перерабатывать и использовать повторно. Во время экспериментов эффективность не снижалась даже после десяти реакционных циклов.

И из пойманных молекул углекислого газа тоже можно извлечь выгоду: диоксид углерода можно переработать в ценные химические вещества, такие как циклические карбонаты, которые можно использовать в нефтехимии и фармацевтике.

[Иллюстрация: ILLUSTRATION BY MINDY TAKAMIYA]

Углекислый газ и его физические свойства — объем, плотность, масса, формула

 

Молекула углекислого газа

Углекислый газ представляет собой бесцветный газ, без запаха,который относится к неорганическим веществам. Другие названия вещества — диоксид углерода, двуокись углерода, углекислота, диоксид карбона, угольный ангидрид. Молекула углекислого газа состоит из атома углерода, соединенного двойной ковалентной связью с двумя атомами кислорода.

Электронная формула диоксида углерода

Химическая формула — CO₂. Молярная масса углекислоты равна 44,01 г/моль. Расстояние от центра центрального атома углерода до каждого центра атома кислорода равно 116,3 пикометров (10 в -12 степени).

Структурная формула молекулы

CO₂ при низких температурах и нормальном давлении замерзает и кристаллизуется в белую массу, похожую на снег — «Сухой лед». При превышении температуры (-78.5 °C) начинается его испарение (кипение), минуя фазу жидкостного состояния.

В жидкостное состояние газ преобразуется при высоком давлении (73.8 атм.) и средних температурах (+31.1 °C). Это критическая точка углекислоты. Подъем температуры или давления после нее приводит к образованию сверхкритической жидкости (Отсутствует различие между жидкостной и газовой фазой). При снижении температуры до -56.6 °C и давления до 5.2 атм. он остается в жидкостной фазе. Это предельные значения, при изменении которых углекислота переходит в газообразную или твердую фазу (тройная точка состояний).

CO₂ не ядовит, но при превышении концентрации в десятки раз, он оказывает удушающее воздействие на живые организмы и вызывает кисловатый вкус и запах (реакция CO₂ со слюной и слизистыми образует угольную кислоту).

Читайте также: Углекислый газ в помещении.

Двуокись углерода превышает по плотности кислород на 37 процентов и равна 1,96 кг/м3 при нормальных условиях среды (температура — 273 К, давление — 101 кПа). Этим физическим свойством объясняется потеря сознания у животных в «Собачьей пещере», расположенной рядом с городом Поццуоли, Италия. Диоксид углерода скапливался из трещин кратеров в нижних слоях пещеры, тем самым достигая больших концентраций. Туристов приводили туда обычно с собакой, которая в пещере с течением времени теряла сознание. Человек обычно не подвергался воздействию CO₂, так как дышал воздухом с более высокого уровня.

Плотность углекислоты, воздуха и кислорода.

Объем углекислого газа в окружающем нас воздухе, составляет 0,04% (406 ppm – 406 частиц на миллион).