Queste sono molecole che esistono solo in uno stato eccitato. Come è noto, gli atomi dei gas nobili non formano composti chimici. Questa proprietà è spiegata dal fatto che atomi di questo tipo non hanno un elettrone su gusci vuoti, che potrebbero accoppiare un elettrone appartenente a un altro atomo con uno spin opposto. La presenza di una tale coppia è una delle condizioni per la formazione di un legame chimico covalente, che spiega l'esistenza di un composto chimico stabile.

Se l'atomo di gas nobile è in uno stato eccitato, questo ostacolo viene rimosso, poiché c'è un elettrone che occupa uno dei gusci vuoti dell'atomo. Questo elettrone può, in generale, essere accoppiato con la sua controparte, che ha la direzione di rotazione opposta e appartiene a un altro atomo. Di conseguenza, si verifica un'interazione tra gli atomi, corrispondente all'attrazione, che apre alla possibilità della formazione di una molecola, uno dei cui atomi è un atomo di gas nobile. È questa molecola che viene chiamata eccimero.

Una molecola di eccimeri la cui energia potenziale supera l'energia dello stato fondamentale non può esistere indefinitamente. Decade in tempi dell'ordine di diversi nanosecondi, emettendo un quanto di luce. Sotto l'azione della repulsione, gli atomi si separano rapidamente in direzioni opposte.

Nonostante la breve durata, la molecola di eccimeri ha tutte le caratteristiche di un composto chimico. Ha gradi di libertà vibrazionali e rotazionali, che sono caratterizzati dai corrispondenti sistemi di stati energetici. È in grado di entrare in reazioni chimiche. Tuttavia, la caratteristica principale delle molecole di eccimeri è che sono un mezzo attivo già pronto che può essere utilizzato come base per creare laser potente. I laser di questo tipo, detti laser ad eccimeri, formano il gruppo dei laser a gas più intensi nella gamma degli ultravioletti.

La possibilità di creare laser basati su transizioni di molecole di eccimeri si basa sulla disposizione specifica delle curve di energia potenziale del suolo e degli stati eccitati della molecola, che si formano quando gli atomi si avvicinano l'uno all'altro.

Riso. 1. Termini caratteristici di una molecola ad eccimeri favorevoli al funzionamento di un laser ad eccimeri.

Riso. 2. Livelli energetici della molecola XeCl*.

Il termine superiore delle transizioni laser corrisponde a una molecola eccitata con un legame ionico. Tale molecola si forma quando uno ione gas inerte e uno ione alogeno negativo si avvicinano l'uno all'altro. A lunghe distanze, l'interazione corrisponde all'attrazione coulombiana, che, con ulteriore avvicinamento, è sostituita dalla repulsione allo scambio degli elettroni e dalla repulsione coulombiana dei nuclei.

2.2 Reazioni plasma-chimiche.

Lo studio della cinetica delle reazioni nei gas sugli alogenuri dei gas inerti è piuttosto difficile. Molte particelle sono coinvolte nei processi cinetici: atomi e molecole allo stato fondamentale ed eccitato, diversi tipi di ioni, nonché un gran numero di atomi e molecole eccitati. Per semplificare la considerazione della cinetica delle reazioni che si verificano nei laser a escimero, dividiamo tutte le reazioni che si verificano nel plasma in 8 gruppi e consideriamo solo le più importanti. Inoltre, alcune reazioni possono appartenere non solo a un gruppo, ma a due o più. I primi tre gruppi sono:

I. Reazioni primarie con gli elettroni, ad esempio:

e + Lui → Lui + +e +e (1)

e + Xe → Xe * + e (2)

e + HCl → HCl(v) +e (3)

II. Reazioni tra particelle di gas tampone, ad es.

Lui * + Lui + Lui → Lui 2 * + Lui (4)

He+ + 2He → He2+ + He (5)

Ne * + Ne + Ne → Ne 2 * + Ne (6)

III. Reazioni con HCl, ad esempio:

e + HCl → HCl(v) +e (7)

e + HCl → H + Cl - (8)

e + HCl → HCl+ +2e (9)

IV. Reazioni con perdita di elettroni e ioni caricati positivamente:

a) ricombinazione dissociativa:

HeXe + +e → Xe * + He (10)

b) tripla ricombinazione, ad esempio:

He 2 + + e + He → He * + 2He (11)

c) attaccamento di elettroni a particelle neutre, ad esempio:

e + HCl → H + Cl - (12)

Cl +e + Ne → Cl - +e + Ne (13)

ioni negativi e positivi possono ricombinare entrambi i binari (ricarica):

Cl - + Xe + → Xe * + Cl (14)

e nelle collisioni triple:

Xe + + Cl - + Ne → XeCl * + Ne (15)

Le reazioni (12) e (13) procedono abbastanza rapidamente. Si noti la straordinaria dipendenza della velocità di queste reazioni dalla pressione. A pressioni inferiori a un'atmosfera, la costante di velocità di queste reazioni è piuttosto grande. La reazione del tipo (13) fornisce un contributo significativo alla formazione di molecole di alogenuro di gas inerte eccitato. Questa ipotesi si basa sull'elevata efficienza dei laser osservata con le molecole di XeCl. La giustificazione teorica dell'efficacia di un tale processo è che la curva dell'energia potenziale di Coulomb lungo la quale si muovono gli ioni, interseca la maggior parte delle curve covalenti a distanze internucleari piuttosto grandi. Ciò rende difficile per un elettrone passare da uno ione negativo a uno positivo, impedendo la formazione di un legame covalente.

V. Reazioni che portano alla formazione di molecole di XeCl*. Oltre alla reazione (14), le reazioni più importanti sono:

Xe * + HCl(v) → XeCl * + H (16)

NeXe * + Cl - → XeCl * + Ne (17)

La reazione (13) è la più significativa e il canale principale per la formazione di XeCl * lo attraversa. Questa reazione è analoga all'interazione tra uno ione di metallo alcalino e uno ione alogeno.

La reazione (15) procede solo in presenza di neon o quando viene utilizzato come gas tampone. Attraverso questa reazione si forma il 30% delle molecole di XeCl* e non sorprende che la sostituzione dell'elio con il neon come gas tampone raddoppi quasi l'energia dell'impulso dei dispositivi reali.

VI. Reazioni che causano processi di spegnimento che si verificano nel plasma. Ad esempio, queste reazioni includono:

XeCl * + He → Xe + He + Cl (18)

XeCl * + Xe → 2Xe + Cl (19)

XeCl * + HCl(v) → Xe + HCl + Cl (20)

Il più importante, almeno a bassa pressione, è l'estinzione diretta in collisioni con molecole contenenti alogeno (18). La costante di velocità di tale reazione è sufficientemente alta, cioè l'estinzione si verifica ad ogni collisione. Per una tipica miscela di gas, il tempo di spegnimento è di 10 ns. Tale rapido spegnimento di molecole eccitate elettronicamente è abbastanza spesso osservato ed è associato al trasferimento di energia alla molecola di spegnimento.

VII Reazioni con radiazioni. Ecco qui alcuni di loro:

XeCl * + hν → Xe + 2hν (21)

Cl - + hν → Cl +e (22)

He * + hν → He + + e (23)

HeXe + hν → Xe + + He (24)

VIII. Reazioni con impurità, ad esempio:

HCl + O 2 → 4ClO 2 + 2H 2 O (25)

Xe * + O 2 → XeO (26)

Xe * + H 2 O → XeO + H 2 (27)

Sono dovuti al fatto che, nonostante i severi requisiti di purezza del gas, la miscela di gas può contenere fino all'1% di O 2 , N 2 H 2 , CO 2 , H 2 O. L'acqua è la principale impurità nociva nelle miscele di gas di eccimeri laser.

Oltre alle reazioni di cui sopra, nel plasma si verifica un numero significativo di reazioni collaterali, che rimuovono principalmente energia dal canale principale. Tutti gli stati eccitati utili sono piuttosto di breve durata e vengono inoltre estinti in collisioni reciproche e collisioni con altre formazioni nel plasma. Tuttavia, si può presumere che le principali reazioni che portano alla formazione di alogenuri di gas inerti eccitati procedano in modo abbastanza rapido ed efficiente. Tenendo conto di tutti questi processi, oltre alle perdite nel circuito di eccitazione, si può stimare che nei dispositivi reali, nella formazione di molecole di XeCl, nella migliore delle ipotesi, viene investito solo l'8-10% dell'energia immagazzinata inizialmente nei serbatoi di accumulo .

Le prime regolarità fotochimiche sono state stabilite nel 19° secolo. (cm. Legge di Grotto, Legge Bunsen-Rosco ). In quanto campo scientifico indipendente, la fisica ha preso forma nel primo terzo del XX secolo, dopo la scoperta La legge di Einstein, La molecola di una sostanza, che è diventata basica in F. Quando un quanto di luce viene assorbito, passa dallo stato fondamentale a uno stato eccitato, in cui entra in una reazione chimica. I prodotti di questa reazione primaria (quella vera e propria fotochimica) sono spesso coinvolti in varie reazioni secondarie (le cosiddette reazioni oscure) che portano alla formazione dei prodotti finali. Da questo punto di vista, la fisica può essere definita come la chimica delle molecole eccitate che si formano a seguito dell'assorbimento dei quanti di luce. Spesso più o meno porzione significativa le molecole eccitate non entrano in una reazione fotochimica, ma ritornano allo stato fondamentale come risultato di vari tipi di processi di disattivazione fotofisica. In alcuni casi, questi processi possono essere accompagnati dall'emissione di un quanto di luce (fluorescenza o fosforescenza). Il rapporto tra il numero di molecole coinvolte in una reazione fotochimica e il numero di quanti di luce assorbiti è chiamato resa quantistica della reazione fotochimica. La resa quantistica della reazione primaria non può essere maggiore di uno; di solito questo valore è molto inferiore all'unità a causa della disattivazione effettiva. Come risultato delle reazioni oscure, la resa quantica totale può essere molto maggiore dell'unità.

La reazione fotochimica più tipica in fase gassosa è la dissociazione delle molecole con la formazione di atomi e radicali. Quindi, sotto l'azione della radiazione ultravioletta (UV) a onde corte, a cui, ad esempio, è esposto l'ossigeno, le molecole di O 2 eccitate risultanti * dissociarsi in atomi:

O2 + h n , ® O + O.

Questi atomi entrano in una reazione secondaria con O 2 , formando ozono: O + O 2 ® O 3 .

Tali processi si verificano, ad esempio, negli strati superiori dell'atmosfera sotto l'azione della radiazione solare (vedi Fig. Ozono nell'atmosfera ).

Quando si illumina una miscela di cloro con idrocarburi saturi (RH, dove R è alchile), questi ultimi sono clorurati. La reazione primaria è la dissociazione della molecola di cloro in atomi, seguita da reazione a catena formazione di idrocarburi clorurati:

Cl2+ h n ® ® Cl + Cl

Cl+RH® HCl+R

R + Cl 2 ® RCl + Cl, ecc.

La resa quantica totale di questa reazione a catena è molto maggiore dell'unità.

Quando una miscela di vapori di mercurio e idrogeno viene illuminata con una lampada al mercurio, la luce viene assorbita solo dagli atomi di mercurio. Questi ultimi, passando in uno stato eccitato, provocano la dissociazione delle molecole di idrogeno:

Hg* + H 2 ® Hg + H + H.

Questo è un esempio di reazione fotochimica sensibilizzata. Sotto l'azione di un quanto di luce, che ha un'energia sufficientemente elevata, le molecole si trasformano in ioni. Questo processo, chiamato fotoionizzazione, è convenientemente osservato con uno spettrometro di massa.

Il processo fotochimico più semplice nella fase liquida è il trasferimento di elettroni, cioè una reazione redox indotta dalla luce. Ad esempio, quando la luce UV agisce su una soluzione acquosa contenente ioni Fe 2 + , Cr 2 + , V 2 +, ecc., un elettrone passa da uno ione eccitato a una molecola d'acqua, ad esempio:

(Fe 2 +) * + H 2 O ® Fe 3 + + OH - + H +.

Le reazioni secondarie portano alla formazione di una molecola di idrogeno. Trasferimento di elettroni che può verificarsi dopo l'assorbimento luce visibile caratteristico di molti coloranti. Il fototrasferimento di un elettrone con la partecipazione di una molecola di clorofilla è l'atto principale fotosintesi - un complesso processo fotobiologico che si verifica in una foglia verde sotto l'azione di luce del sole.

Nella fase liquida, molecole di composti organici con legami multipli e anelli aromatici possono partecipare a varie reazioni oscure. Oltre a rompere i legami, porta alla formazione di radicali e biradicali (ad esempio, carbeni ), oltre alle reazioni di sostituzione eterolitica, sono noti numerosi processi fotochimici isomerizzazione, riarrangiamenti, formazione di cicli, ecc. Esistono composti organici che isomerizzano sotto l'azione della luce UV e acquisiscono colore e, quando illuminati con luce visibile, si trasformano nuovamente nei composti incolori originali. Questo fenomeno, chiamato fotocromia, è un caso speciale di trasformazioni fotochimiche reversibili.

Il compito di studiare il meccanismo delle reazioni fotochimiche è molto difficile. L'assorbimento di un quanto di luce e la formazione di una molecola eccitata avvengono in un tempo di circa 10 - 15 sec. Per le molecole organiche con legami multipli e anelli aromatici, che sono di maggiore interesse per la fisica, esistono due tipi di stati eccitati, che differiscono per l'entità dello spin totale della molecola. Quest'ultimo può essere uguale a zero (nello stato fondamentale) o uno. Questi stati sono chiamati rispettivamente stati di singoletto e tripletta. La molecola passa nello stato eccitato di singoletto direttamente dopo l'assorbimento di un quanto di luce. Il passaggio dallo stato di singoletto a quello di tripletta avviene come risultato di un processo fotofisico. La vita di una molecola in uno stato di singoletto eccitato è ~ 10 -8 sec; nello stato di tripletta - da 10 -5 -10 -4 sec(mezzi liquidi) fino a 20 sec(supporti duri, come polimeri solidi). Pertanto, molte molecole organiche entrano in reazioni chimiche proprio nello stato di tripletta. Per lo stesso motivo, la concentrazione di molecole in questo stato può diventare così significativa che le molecole iniziano ad assorbire la luce, passando in uno stato altamente eccitato, in cui entrano nel cosiddetto. reazioni bi-quantistiche. Una molecola A* eccitata forma spesso un complesso con una molecola A non eccitata o con una molecola B. Tali complessi, che esistono solo in uno stato eccitato, sono chiamati rispettivamente eccimeri (AA)* o ecciplessi (AB)*. Gli ecciplessi sono spesso precursori di una reazione chimica primaria. I prodotti primari di una reazione fotochimica - radicali, ioni, ioni radicali ed elettroni - entrano rapidamente in ulteriori reazioni oscure in un tempo che di solito non supera i 10 -3 sec.

Uno dei più metodi efficaci studi sul meccanismo delle reazioni fotochimiche - pulsate fotolisi, la cui essenza è creare un'alta concentrazione di molecole eccitate illuminando la miscela di reazione con un breve ma potente lampo di luce. Le particelle di breve durata che insorgono in questo caso (più precisamente, gli stati eccitati ei suddetti prodotti primari della reazione fotochimica) vengono rilevate dal loro assorbimento del fascio di "sondaggio". Questo assorbimento e la sua variazione nel tempo vengono registrati utilizzando un fotomoltiplicatore e un oscilloscopio. Questo metodo può essere utilizzato per determinare sia lo spettro di assorbimento di una particella intermedia (e quindi identificare questa particella) sia la cinetica della sua formazione e scomparsa. In questo caso, il laser pulsa con una durata di 10 -8 sec e anche 10 -11 -10 -12 sec, che permette di studiare le prime fasi del processo fotochimico.

Il campo di applicazione pratica di F. è ampio. Sono in fase di sviluppo metodi di sintesi chimica basati su reazioni fotochimiche (vedi. Reattore fotochimico, Pianta fotosintetica solare ). Trovata applicazione, in particolare per la registrazione di informazioni, composti fotocromatici. Utilizzando processi fotochimici, si ottengono immagini in rilievo per microelettronica, stampa di moduli per la stampa (vedi anche Fotolitografia ). Valore pratico ha clorurazione fotochimica (principalmente idrocarburi saturi). L'area più importante di ​​applicazione pratica di F. - foto. Oltre al processo fotografico basato sulla decomposizione fotochimica degli alogenuri d'argento (principalmente AgBr), vari metodi fotografia non argento; ad esempio decomposizione fotochimica diazocomposti sottostante diazotipi.

Illuminato.: Turro N.D., Fotochimica molecolare, trad. dall'inglese, M., 1967; Terenin A. N., Fotonica di molecole di coloranti e relativi composti organici, L., 1967; Calvert D. D., Pitts D. N., Fotochimica, trad. dall'inglese, M., 1968; Bagdasaryan Kh.S., Fotochimica dei due quanti, M., 1976.

HS Bagdasaryan.

DISPOSITIVO DI SOSTANZA

DI COSA È FATTO IL MONDO

TEORIA ATOMISTICA Concetti moderni un elemento, un atomo e una sostanza semplice, una molecola come insieme di atomi interconnessi...

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Frontespizio del poema di Lucrezio

Sulla natura delle cose. edizione 1563

... ci sono corpi che non possiamo vedere ... Dopotutto, toccare, oltre che essere tangibile,

Accademia di Platone. Mosaico. 1° secolo AVANTI CRISTO e.

Forma degli orbitali atomici.

I nuclidi sono indicati dal simbolo dell'elemento e dal numero di massa: 12С, 14N, l6O; un'altra forma di registrazione: carbonio-12, azoto-14, ossigeno-16. Se il numero di massa ... dell'isotopo dell'idrogeno sono i nuclidi 1H, 2H (un'altra designazione D è deuterio) e 3H (o ... Se l'atomo è neutro, il suo nucleo caricato positivamente contiene lo stesso numero di elettroni caricati negativamente ( e), ...

Cambiamento nell'energia degli orbitali a seconda di

Dal numero ordinale dell'elemento.

Nel passaggio da uno stato solido della materia a uno stato gassoso, l'interazione tra le particelle si indebolisce. reazione chimica). Queste proprietà dei gas sono dovute al fatto che le molecole in essi contenute sono lontane l'una dall'altra. Condividere…

Termometri d'epoca.

Sulla sinistra c'è un termometro che mostra le temperature minime e massime che sono state osservate da quando è stato installato.

Al centro c'è un termometro che mostra la temperatura in Celsius, Réaumur e Fahrenheit.

Sulla destra un termometro della fine del XIX secolo. con scale Reaumur e Celsius.

La maggior parte dei solidi sono in forma cristallina: le loro particelle - molecole, atomi o ioni - sono disposte in un ordine rigoroso, formando ... Allo stesso tempo, le particelle in un reticolo cristallino non sono stazionarie, sono costantemente ... FLUSSO VETRO DELLA FINESTRA?

Struttura

Sostanze cristalline (1) e amorfe (2).

Il plasma è un gas elettricamente neutro e altamente ionizzato composto da ioni carichi positivamente, elettroni e molecole neutre. In... Per trasformare un gas in plasma (ionizzarlo), bisogna spendere molto... Il plasma può essere creato artificialmente esponendo un gas neutro rarefatto ad un campo elettrico (come in...

Torcia al plasma.

I cristalli liquidi sono sostanze che si comportano sia come liquidi che come solidi. Molecole in cristalli liquidi, da un lato, ... posizione corretta le molecole si rompono e il cristallo liquido diventa ... La disposizione regolare delle molecole nei cristalli liquidi determina le loro speciali proprietà ottiche. Le proprietà del liquido...

Osservando da vicino un chip di vetro, si può vedere che questo solido ha una struttura non cristallina.

IL NUMERO MAGICO DEI CHIMICI

L'eccezionale filosofo tedesco Immanuel Kant una volta osservò che in alcuni rami delle scienze naturali c'è tanta vera scienza quanta ce n'è in esse ... Tutte queste idee, ora note anche a uno scolaro, Richter ha delineato nel 1793 in ...

Uguali volumi di sostanze gassose alla stessa pressione e temperatura contengono lo stesso numero di molecole, in modo che la densità di diversi gas serva da misura della massa delle loro molecole ...

Questa aggiunta era molto importante: significava che, misurando la densità gas diversi, è possibile determinare le masse relative delle molecole di cui sono composte. Ad esempio, se 1 litro di idrogeno contiene lo stesso numero di molecole di 1 litro di ossigeno, il rapporto tra le densità di questi gas è uguale al rapporto tra le masse delle molecole di idrogeno e ossigeno. Alle stesse conclusioni giunse nel 1814 il famoso fisico francese Andre Marie Ampère (1775-1836). Tuttavia, non è giusto considerare Ampère un coautore della legge di Avogadro, come fecero molti chimici.

Al tempo di Avogadro, la sua ipotesi non poteva essere suffragata teoricamente. Questa possibilità è apparsa più tardi, con lo sviluppo della teoria cinetica molecolare dei gas. L'energia di impatto delle molecole sulle pareti del vaso non dipende dalla massa delle molecole, ma dipende solo dalla temperatura. Ciò accade perché le molecole leggere si muovono rapidamente, quelle pesanti si muovono lentamente e la loro energia cinetica (a una data temperatura) è la stessa.

Quindi, numero uguale le molecole in un dato volume esercitano la stessa pressione e viceversa: la stessa pressione di due gas indica lo stesso numero di molecole in essi contenute.

La legge di Avogadro ha dato ai chimici la capacità di determinare sperimentalmente la composizione delle molecole dei composti gassosi. Quindi, dal rapporto sperimentalmente trovato tra i volumi di idrogeno, ossigeno e vapore acqueo (2:1:2), si possono logicamente trarre due conclusioni. Primo: le molecole del gas sorgente sono costituite da due atomi e la molecola d'acqua è composta da tre, quindi è vera l'equazione 2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O. Il secondo: le molecole di idrogeno sono monoatomiche e l'ossigeno e l'acqua sono biatomici , e quindi l'equazione 2H + è vera O 2 \u003d 2NO con lo stesso rapporto di volume. (A proposito, anche 50 anni dopo il lavoro di Gay-Lussac, alcuni scienziati hanno continuato a insistere sul fatto che la formula dell'acqua è HO e non H 2 O.)

Il dilemma può essere risolto solo sulla base di altri esperimenti. Da essi ne consegue, ad esempio, che volumi uguali di idrogeno e cloro formano il doppio del volume dell'acido cloridrico. Questo fatto respinge immediatamente l'ipotesi che l'idrogeno sia monoatomico: la reazione H + Cl = HCl non dà un volume doppio di HCl. Pertanto, le molecole di idrogeno (così come il cloro e l'ossigeno) sono biatomiche e l'equazione 2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O è vera.

È sorprendente che argomentazioni così semplici non possano convincere alcuni chimici della validità (e della profondità) della legge di Avogadro. E, sfortunatamente, la sua teoria per diversi decenni è rimasta praticamente inosservata.

Il motivo principale del rifiuto della teoria semplice e armoniosa di Avogadro era la cosiddetta teoria dualistica della struttura dei composti chimici, che era dominante in quel momento, creata da Berzelius. Secondo esso, tutti gli atomi hanno cariche elettriche e le molecole sono formate da atomi con cariche opposte che si attraggono l'un l'altro. Si credeva, in particolare, che gli atomi di ossigeno avessero una forte carica negativa, e gli atomi

Amedeo Avogadro.

La pressione di un gas è dovuta all'impatto delle molecole sulle pareti del recipiente.

Negli anni '30. 19esimo secolo Il chimico francese Jean Baptiste Dumas (1800-1884) studiò la reazione di sostituzione dell'idrogeno con il cloro nei composti organici. In... In questa circostanza si decise di battere il famoso chimico tedesco Friedrich Wöhler. In ... Liebig ha apprezzato la battuta e ha pubblicato l'opera di S. Windler (in francese) poche pagine dopo ...

Guglielmo Ostwald.

È così che è apparsa in chimica una quantità, che è stata chiamata grammomolecola o mole (la parola "talpa" è stata coniata all'inizio del XX secolo da un fisico chimico tedesco, laureato ... Al giorno d'oggi, una talpa è definita in modo diverso : è la quantità di una sostanza che contiene... IL GAS NON VIENE AL GAS...

Schema dell'esperienza di E. Rutherford e X. Geiger

contando il numero di a-particelle. Queste particelle

cadendo attraverso un piccolo foro sullo schermo,

Rivestito in fosforescente

La composizione di ZnS, causa su di esso

Seguirono lampi di luce

Attraverso l'ingrandimento

Bicchiere.

LEGAME CHIMICO

Federico Augusto Kekule.

Un'importante scoperta riguardante il legame chimico appartiene al chimico olandese Jacob van't Hoff. Ha dimostrato che i quattro legami dell'atomo di carbonio in ... Nonostante molte ingegnose ipotesi sulla struttura delle molecole, la natura della connessione tra ... TEORIA DI LEWIS, O "KOLHOZ" ELETTRONICO

La disposizione dei punti sulla superficie di una sfera in cui sono il più distanti possibile.

Nella configurazione ottimale dei nuclei, due cariche sono alle estremità del diametro, tre cariche formano un triangolo regolare, quattro - un tetraedro, sei - un ottaedro. Queste configurazioni possono essere rese più visibili rappresentando le coppie di elettroni come un gruppo di palloncini, come mostrato nella figura.

Fasci contenenti da due a sei palline, il più lontano possibile l'una dall'altra.

MOLECOLE CHE ESISTONO SOLO NELLO STATO ECCITATO Se due atomi di elio vengono avvicinati l'uno all'altro (configurazione elettronica 1s2), ... Se uno degli atomi viene eccitato e l'elettrone 1s viene trasferito al livello 2s, allora tale l'atomo è in grado di combinarsi con ...

Forze che agiscono nello ione molecolare H+2 durante la sua formazione dagli atomi.

Va notato che le cariche vere sugli atomi sono quasi sempre inferiori a quelle effettive. Quindi, nella molecola HC1, le cariche effettive degli atomi H e Cl sono pari a +1 e ... PERCHE' SI FORMANO I LEGAMI CHIMICI? Consideriamo la formazione dello ione molecolare più semplice H+2; H+H+ ® H+2.

Superfici di uguale densità elettronica della molecola di etilene C2H4: 1 - 0,002; 2 - 0,2; 3 - 0,36.

In secondo luogo, le mappe di densità elettronica riflettono il cambiamento nella distribuzione degli elettroni durante la formazione di un legame chimico dagli atomi. Per comporre... In terzo luogo, la distribuzione della densità elettronica mostra quale di... Infine, la forma dei livelli di densità elettronica dà un'idea della geometria delle molecole, che integra le informazioni,...

Mappa di contorno. I massimi di densità elettronica sono concentrati

su atomi di carbonio e idrogeno.

Superfici di uguale densità elettronica di molecole di LiH, H2, HF.

Nubi di elettroni di metano CH4 e molecole di ammoniaca NH3.

Per descrivere gli elettroni in un atomo, viene utilizzato il concetto di orbitale atomico (AO), che caratterizza la probabilità di trovare un elettrone in ogni punto ... A differenza degli atomi isolati, gli elettroni nelle molecole vengono attratti immediatamente ...

Gli elettroni che trascorrono la maggior parte del loro tempo tra i nuclei li legano tra loro. Gli elettroni dietro i nuclei tendono a separarli (questo effetto è chiamato allentamento).

COS'È VALENZA

Il concetto di valenza in chimica è stato a lungo considerato uno dei principali. "La valenza è una proprietà fondamentale dell'atomo", scriveva il famoso scienziato tedesco, uno dei fondatori della teoria della struttura chimica, Friedrich Kekule, più di un secolo fa, "la proprietà è costante e immutabile come il peso atomico stesso .” Tuttavia, questo termine non è ampiamente utilizzato nella letteratura scientifica moderna. Inoltre, anche nei libri di testo viene interpretato diversamente.

Quindi, se la valenza è determinata numero totale elettroni coinvolti nella formazione di legami chimici con altri atomi, quindi l'azoto in HNO 3 dovrebbe essere considerato pentavalente, poiché il suo atomo utilizzava tutti i suoi cinque elettroni esterni: due elettroni s (accoppiati) e tre elettroni p (non accoppiati):

Se la valenza è determinata dal numero di coppie di elettroni con cui un dato atomo è connesso ad altri, la valenza massima dell'azoto sarà pari a quattro.

In questo caso, tre elettroni p formano tre legami covalenti con gli elettroni di altri atomi e un altro si forma a causa di due elettroni s. Un esempio è la reazione dell'ammoniaca con gli acidi.

Infine, se la valenza è determinata solo dal numero di elettroni spaiati nell'atomo, la valenza dell'azoto non può superare tre, poiché la depairing degli elettroni s è impossibile: l'atomo di azoto non ha orbitali adatti per questo. Ad esempio, negli alogenuri, l'azoto forma solo tre legami covalenti e non ci sono composti come NCl 5 o NBr 5 (in contrasto con PCl 5 e PBr 5 completamente stabili).

Se l'atomo di azoto rinuncia a uno dei suoi elettroni s, allora quattro elettroni spaiati rimarranno nel catione N + risultante e la sua valenza sarà pari a quattro. Questo è ciò che accade nella molecola HNO 3, dove un elettrone passa dall'atomo di azoto all'atomo di ossigeno.

Come possiamo vedere, diverse definizioni di valenza portano a risultati diversi anche nel caso di molecole semplici.

Perché sta succedendo? È possibile determinare inequivocabilmente la valenza? Per trovare risposte a queste domande, consideriamo come questo concetto stesso sia cambiato con lo sviluppo della chimica.

L'idea di una certa "capacità di saturazione" degli atomi di metallo e ossigeno fu espressa per la prima volta nel 1853 dal chimico inglese Edward Frankland (1825-1899). Entro la fine degli anni '50. 19esimo secolo la maggior parte dei chimici ha riconosciuto che la valenza (allora chiamata "atomicità") del carbonio è quattro, ossigeno e zolfo - due, alogeni - uno. Il termine stesso "valenza", proposto nel 1868 dal professore berlinese Karl Wichelhaus (1842-1927), fu tratto dal latino (da lat. valenzia - "forza"), tuttavia a lungo quasi mai usato. Nell'opera classica "Fondamenti di chimica", D. I. Mendeleev usa solo poche volte il concetto di "atomicità" come sinonimo di valenza, senza soffermarsi su di esso in dettaglio e senza dare una definizione univoca.

E questa non è una coincidenza. "Nessun concetto in chimica ha ricevuto così tante definizioni oscure e imprecise come il concetto di valenza", scrisse l'educatore americano Alexander Smith nel 1917. Inizialmente, i chimici credevano erroneamente che ogni elemento avesse una valenza. Questo porta inevitabilmente

posizione dei nuclei, cioè sulla geometria della molecola. Quando una molecola è formata da atomi, le nubi di elettroni degli atomi si sovrappongono, gli orbitali atomici si "mescolano" e da essi si ottengono nuovi orbitali molecolari. Ad esempio, quando una molecola è formata da due atomi identici, quando due s-opbitali atomici si sovrappongono, sorgono due MO: uno ha un'energia inferiore a quella atomica e l'altro ne ha una maggiore. Viene chiamato il primo orbitale rilegatura, e il secondo - allentamento(contrassegnato da un asterisco). La presenza di un elettrone nell'orbitale di legame porta al rafforzamento del legame chimico, e nell'orbitale di allentamento, al suo indebolimento, fino a una rottura completa. In un orbitale di legame, un elettrone

ha portato alla distorsione delle formule chimiche, che erano semplicemente "personalizzate" su tale ipotesi. In particolare, le formule di due noti cloruri di rame sono state scritte come segue: Cl-Cu-Cu-Cl e Cl-Cu-Cl. Su questo punto Smith trae una conclusione importante e senza tempo: “È del tutto contrario al metodo scientifico inventare o distorcere i fatti per sostenere un'opinione che, non essendo basata sull'esperienza, è il risultato di un semplice presupposto. Tuttavia, la storia della scienza mostra che tali errori sono spesso osservati.

Rassegna di rappresentazioni dell'inizio del XX secolo. valenza è stata data nel 1912 dal famoso chimico russo Lev Alexandrovich Chugaev (1873-1922). Ha notato che il termine ha perso la sua unicità e semplicità di definizione iniziale e, infatti, con lo sviluppo della chimica, è stato suddiviso in diversi concetti: valenza parziale, principale e secondario, ecc.

Le prime complicazioni sono iniziate con il riconoscimento che la valenza è una variabile. Chugaev considera la teoria del chimico tedesco Friedrich Karl Johannes Thiele (1865-1918) sulle valenze parziali o parziali (vedi l'articolo “Aromatico non significa fragrante”) come uno dei primi tentativi

corrente per ampliare il concetto classico di valenza. Il chimico svizzero Alfred Werner ha suggerito che insieme alle unità di valenza principali, o di base, ce ne sono altre secondarie. Ad esempio, nel composto CoCl 3 6NH 3, l'atomo di cobalto è legato contemporaneamente a nove atomi di cloro e azoto!

Chugaev ha anche toccato la teoria del chimico tedesco Richard Abegg (1869-1910) sull'elettrovalenza, che può essere positiva (nei composti di ossigeno più elevati) o negativa (nei composti con idrogeno). La valenza è determinata dal numero di elettroni donati o ricevuti nella reazione.

La recensione di Chugaev si conclude con una menzione di composti chimici a cui il concetto di valenza è generalmente inapplicabile. Questi includono, ad esempio, composti intermetallici: NaCd 5 , NaZn 12 , FeZn 7 e altri.

Si possono citare altri fatti che divennero noti molto più tardi. Quindi, nell'ozono, una coppia di elettroni contiene non due, ma tre atomi di ossigeno; in altre molecole, il legame chimico può essere generalmente svolto da un singolo elettrone. È impossibile descrivere tali connessioni senza utilizzare l'apparato della chimica quantistica.

E questi casi "non classici" non fanno eccezione. Come, ad esempio, determinare la valenza degli atomi di idrogeno e boro nel pentaborano B 5 H 9, in cui alcuni atomi di idrogeno sono legati a due atomi di boro contemporaneamente? Qual è la valenza del ferro nel pentacarbonil Fe (CO) 5 (l'atomo di ferro è legato a cinque atomi di carbonio) o del cromo nel pentacarbonil cromato di sodio Na 2 Cr (CO) 5? C'erano sempre più tali "violatori di valenza". Le difficoltà sorte portarono al fatto che i chimici, invece del concetto di valenza, iniziarono sempre più a utilizzare un concetto puramente formale dello stato di ossidazione.

Quali sono le conclusioni? Apparentemente, il concetto tradizionale di valenza ha un significato chiaro e inequivocabile solo per i composti in cui tutti i legami chimici sono a due centri (cioè collegano solo due atomi) e ogni legame è svolto da una coppia di elettroni situati tra due atomi vicini, in altre parole, per composti covalenti come HCl, CO 2, C 5 H 12, ecc. I tentativi di definire la valenza "per tutte le occasioni" sono improduttivi e difficilmente necessari. In effetti, il termine è diventato un'astrazione. Non c'è da stupirsi che gli autori di molti libri di testo moderni ne facciano a meno.

LEGAMI CHIMICI NEI METALLI - LA SOMMA DI 10 23 ORBITALI ATOMICI

Tutti i metalli sono caratterizzati da un particolare tipo di legame chimico: gli elettroni di valenza di tutti gli atomi sono combinati nel cosiddetto gas di elettroni e si muovono liberamente nel reticolo cristallino formato dagli ioni. Ogni elettrone, per così dire, appartiene a tutti gli atomi contemporaneamente e un cristallo di metallo può essere considerato come una molecola gigante. I MO in tali molecole hanno proprietà speciali.

Si consideri un pezzo di litio con una massa di 1,17 g che contiene 1/6 mol di litio, ovvero 10 23 atomi, ciascuno dei quali ha un orbitale di valenza 2s riempito a metà. Tutti i 10 23 orbitali atomici nella molecola vengono trasformati in 10 23 orbitali molecolari, la cui energia varia entro 100 kJ / mol, e gli orbitali stessi sono distribuiti (delocalizzati) in tutta la molecola. La buona conducibilità elettrica dei metalli è spiegata dal fatto che la differenza di energia tra due MO adiacenti è trascurabile: 100/10 23 =10 -21 kJ/mol. Pertanto, gli elettroni possono spostarsi liberamente da orbitale a orbitale in presenza di un campo elettrico esterno.

Nelle molecole mostrate, ogni legame è polare. Le frecce indicano la direzione di miscelazione della densità elettronica e i trattini sui legami indicano i punti in cui la carica è zero. Le molecole BeF2 e CCl4 non sono polari: i legami (frecce) in esse contenute sono reciprocamente compensate. Non esiste tale compensazione nelle molecole polari di H2O e CHCl3.

la densità è concentrata tra gli atomi, sull'allentamento - dietro di loro. Gli orbitali s si sovrappongono sempre lungo la linea che collega i nuclei degli atomi. I MO che sorgono in questo caso sono indicati con la lettera s e il corrispondente legame chimico è chiamato s -comunicazione.

Per atomi identici p-gli orbitali possono sovrapporsi sia lungo la linea che collega i nuclei che al di fuori di questa linea. In quest'ultimo caso, i MO formati sono indicati con la lettera p e tale legame chimico è chiamato p -comunicazione.

È molto più probabile che gli orbitali molecolari leghino atomi diversi rispetto a quelli identici. In questo caso si formano anche orbitali di legame e allentamento. Ad esempio, nella molecola HF, si formano due orbitali s quando l'orbitale 1s dell'atomo H e uno degli orbitali 2p dell'atomo F si sovrappongono. Due elettroni (uno per ogni atomo) occupano l'orbitale di legame, mentre l'orbitale di antilegame rimane libero. I restanti otto elettroni dell'atomo F non prendono parte alla formazione di un legame chimico.

Abbiamo rappresentato solo alcuni dei tipi più semplici di MO. I moderni computer consentono di calcolare MO e densità elettronica in molecole complesse contenenti dozzine di atomi. Possono avere orbitali che collegano insieme più atomi. Questi orbitali sono chiamati multicentrico. E nei metalli, i MO legano tutti gli atomi contemporaneamente; il legame chimico in essi è chiamato - metallo.

COLLEGAMENTI TRA MOLECOLE

Esistono tre tipi principali di legami chimici: covalenti, ionici e metallici. Ma a volte forze piuttosto deboli che agiscono tra le molecole possono svolgere un ruolo importante. Queste forze determinano principalmente i punti di fusione e di ebollizione delle sostanze, nonché alcune delle loro proprietà chimiche.

Tutte le molecole sono elettricamente neutre. Tuttavia, in molti di essi, i centri di carica negativa e positiva si trovano in luoghi diversi. In questi casi, viene chiamata la molecola dipolo. Le molecole polari sono facilmente attratte l'una dall'altra.

È vero, l'interazione dei dipoli è relativamente debole: la sua energia è inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza tra i centri delle molecole E~ 1/r 6(per confronto: l'energia dell'interazione di Coulomb E~1/r). Pertanto, si manifesta principalmente allo stato solido e liquido, quando le distanze tra le molecole sono molto più piccole che in un gas. Allo stato solido, i dipoli molecolari sono orientati in modo che i poli positivi di alcuni siano il più vicino possibile ai poli negativi di altri.

A differenza delle molecole polari, non c'è separazione di carica nelle molecole non polari e la densità elettronica è distribuita più o meno uniformemente. Tuttavia, a causa delle fluttuazioni (oscillazioni) della densità elettronica all'interno della molecola, possono sorgere e scomparire cariche parziali, che generano le stesse cariche nelle molecole vicine. A causa della comparsa di tali "dipoli istantanei", si verifica attrazione o repulsione tra di loro. Questa interazione è chiamata induzione-

nym o dispersione. Esiste tra qualsiasi molecola. La sua energia è inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza (E~ 1/r 6) e aumenta all'aumentare del peso molecolare. Pertanto, l'interazione di dispersione tra le molecole di alogeno diminuisce rapidamente nella serie I 2 - Br 2 - Cl 2 . Le molecole di iodio a temperatura ambiente sono saldamente legate l'una all'altra e formano una sostanza solida, nel bromo interagiscono in modo più debole e nel cloro ancora più debole, quindi il bromo è un liquido e il cloro è un gas.

Un grande contributo alla creazione della teoria delle interazioni dipolo-dipolo e dispersione è stato dato dal fisico olandese Johannes Diederik van der Waals; queste interazioni sono state intitolate a lui. van der Waals.

Un legame più forte può formarsi tra alcune molecole. Ciò accade quando una molecola contiene un atomo di idrogeno collegato da un legame covalente a un atomo di fluoro, ossigeno o azoto. Ognuno di questi atomi attira la densità elettronica del legame verso se stesso e acquisisce una carica negativa parziale, conferendo una carica positiva uguale all'atomo di idrogeno.

Di conseguenza, un atomo di idrogeno caricato positivamente di una molecola viene attratto da un atomo di fluoro, ossigeno o azoto caricato negativamente di un'altra molecola. Questa attrazione è in parte elettrostatica (Coulomb), in parte covalente. Si chiama tale connessione idrogeno.

Un legame idrogeno è più forte di un legame di van der Waals, ma di solito molto più debole di un legame covalente. Svolge un ruolo enorme in natura. È il legame idrogeno che è responsabile della struttura dell'acqua, del ghiaccio, delle proteine, degli acidi nucleici. A causa dei legami idrogeno nell'acqua liquida e persino nel vapore acqueo, esistono insiemi molecolari stabili contenenti dozzine di molecole di H 2 O. Nel 1991 sono state trovate particelle nel vapore acqueo in cui lo ione H 3 O + è circondato da venti (!) Molecole di H 2 O collegate tra loro da legami idrogeno.

PROPRIETA' DEI LEGAMI CHIMICI

Essere in grado di confrontare i legami chimici tra loro, compresi i legami tipi diversi, utilizzare caratteristiche quantitative uniformi, tra le quali le principali sono lunghezza, energia, polarità e ordine di legame.

Durata della comunicazione - questa è la distanza di equilibrio tra i nuclei degli atomi,

Interazioni dipoli in un cristallo molecolare.

Una rete di legami idrogeno nel testamento. I cerchi rossi sono atomi di ossigeno, i cerchi bianchi sono atomi di idrogeno, le linee blu indicano legami a idrogeno.

LEGAME IONICO Il legame ionico si verifica con attrazione elettrostatica positivamente e ... Questo tipo di legame si realizza in molte sostanze cristalline - alcali (K + OH-), sali

La formazione di un legame idrogeno tra le molecole d'acqua.

La forza di un legame chimico è determinata dall'energia del legame, cioè l'energia necessaria per rompere il legame e separare gli atomi in ... La polarità del legame mostra quanto la densità elettronica è spostata a uno ... L'ordine (o, in altre parole, la molteplicità) del legame nelle varie teorie chimiche connessioni sono definiti in modi diversi. In teoria…

Struttura cristallina della sfalerite ZnS.

Struttura cristallina della wurtzite ZnS.

È anche nota un'altra modifica del carbonio con una struttura omodesmica: il cosiddetto diamante esagonale o lonsdaleite. Qui, ogni atomo... Il polimorfismo è caratteristico anche dei composti chimici. Se nelle strutture di diamante e ... Se, al centro dei segmenti raffiguranti legami covalenti in diamante e cristalli di lonsdaleite, posizionare ...

Strutture cristalline di varie modifiche di SiO2: 1 - cristobalite 2 - tridimite, 3 - quarzo.

I principali tipi di reticoli cristallini di metalli sotto forma di imballaggi sferici: 1 - rame, 2 - magnesio, 3 - ferro.

Coltiva i cristalli in diversi modi. Ad esempio, raffreddare una soluzione satura. Con la diminuzione della temperatura, la solubilità della maggior parte delle sostanze ... Un altro metodo per far crescere i cristalli è la graduale rimozione dell'acqua da una soluzione satura. E in questo caso, più lenta viene rimossa l'acqua, migliori si ottengono i cristalli. Puoi andare…

Cristallo singolo di allume cromo potassio.

Imballaggio a sfera di cloruro di sodio NaCl.

Strutture cristalline di naftalene C10H8 (1), selenio grigio (2) e boro nitrile BN (3).

Le strutture dei cristalli costruite dalle molecole hanno un aspetto completamente diverso. Questi includono alcuni inorganici (Cl2, I2, P4, S8) e tutte le sostanze organiche, ad eccezione dei polimeri... Succede anche che atomi collegati da legami chimici formino una catena infinita, uno strato infinito o uno infinito...

METAMORFOSI DELLA SOSTANZA

PROCESSO FISICO E REAZIONE CHIMICA

I cambiamenti nelle sostanze e nei corpi sono generalmente divisi in due tipi: processi fisici e trasformazioni chimiche (reazioni). Il processo fisico non ha effetto sulle molecole (o altri più piccoli strutturali... questi sono processi fisici. Allo stesso tempo, le molecole d'acqua non si scompongono in atomi, gli atomi di alluminio non si combinano in molecole. ...

In una reazione chimica, i legami chimici vengono ridistribuiti: quelli vecchi si rompono, se ne formano di nuovi.

La formazione di brina è un esempio di processo fisico.

In una reazione nucleare, a differenza di quella chimica, c'è un cambiamento nelle cariche dei nuclei degli atomi: 3517Cl + 10n® 3516S + 11p.

Il rilascio di gas può

Per accompagnare

Non solo chimica

reazione.

Nelle reazioni chimiche, la struttura degli atomi rimane sempre invariata. Questa è la principale differenza tra i processi chimici e quelli nucleari, durante i quali i nuclei ... Le trasformazioni chimiche vengono scritte usando equazioni. Sostanze… COME RICONOSCERE UNA REAZIONE CHIMICA

Un cambiamento nel colore di una sostanza è possibile anche con una semplice azione meccanica su di essa. L'ossido di mercurio giallo e rosso HgO differisce solo per la dimensione delle particelle.

Ci sono sostanze il cui colore dipende dalla temperatura. A loro

includono, ad esempio, i tetraiodomercurati di rame(1) Cu 2 usati come vernici termiche.

Il colore di queste sostanze cambia quando vengono poste in un ambiente caldo

Acqua.

dal colore di cui è possibile determinare approssimativamente la temperatura dell'ambiente.

COSA SONO LE REAZIONI

Le reazioni chimiche più semplici sono generalmente suddivise in quattro tipi: reazioni di combinazione, decomposizione, sostituzione e scambio. D. I. Mendeleev determinato composto come reazione in cui si verifica una delle due sostanze o, in generale, da un dato numero, un numero minore di esse. Ad esempio, riscaldando le polveri di ferro e zolfo, si forma solfuro di ferro: Fe+S=FeS. Le reazioni combinate comprendono i processi di combustione di sostanze semplici (zolfo, fosforo, carbonio) nell'aria: C + O 2 = CO2. Sono sempre accompagnati dal rilascio di calore: sono esotermici (vedi l'articolo "Calore delle reazioni chimiche").

Reazioni decomposizione, secondo Mendeleev, “ci sono casi inversi alla connessione, cioè quelli in cui una sostanza ne dà due, o, in generale, un dato numero di sostanze è un numero maggiore di esse. Quindi, quando la legna viene riscaldata (senza accesso all'aria. - Nota. ndr) si ottengono gas combustibile, liquido acquoso, catrame o catrame e carbone. Un esempio più semplice è la decomposizione

meccanochimica

Si ritiene generalmente che la macinazione di una sostanza sia un processo fisico. Tuttavia, questo non è del tutto vero. Durante la lavorazione a lungo termine in speciali mulini, le particelle di una sostanza, a causa dell'assorbimento di energia, passano in uno stato chimicamente attivo: i movimenti oscillatori di atomi, molecole e ioni nei nodi del reticolo cristallino aumentano, i legami tra loro si indeboliscono , alcuni legami si rompono, compaiono i radicali liberi.

Gli scienziati chiamano questo processo attivazione meccanochimica e il campo della chimica che studia i cambiamenti chimici e fisico-chimici nelle sostanze sotto l'azione dell'energia meccanica è chiamato meccanochimica.

Una sostanza attivata entra in reazioni chimiche molto più facilmente di una sostanza che non ha subito un trattamento meccanochimico. Molti metalli (ferro, alluminio) dopo la molatura diventano piroforici (da greco"Pir" - "fuoco" e "foros" - "vettore") - si accendono nell'aria.

I fertilizzanti, così come alcuni farmaci (aspirina), sono soggetti ad attivazione meccanochimica, perché la sostanza attivata va in soluzione più velocemente ed è più completamente assorbita dall'organismo.

L'inizio di alcune reazioni chimiche per impatto o attrito viene utilizzato sia nei laboratori (esplosione di una miscela di sale Bertolet con fosforo) che nella vita di tutti i giorni (la benzina in un accendino viene accesa da una scintilla ottenuta sfregando la selce).

calcare: CaCO 3 \u003d CaO + CO 2. La reazione di decomposizione generalmente richiede riscaldamento. Tali processi sono endotermici, cioè procedono con l'assorbimento di calore.

Nelle reazioni degli altri due tipi, il numero di reagenti è uguale al numero di prodotti (Mendeleev li chiamava reazioni di spostamento). Se una sostanza semplice e una complessa interagiscono, questa è una reazione sostituzioni: Fe + CuSO 4 \u003d FeSO 4 + Cu.

Le reazioni tra due sostanze complesse, in cui si scambiano le parti, sono dette reazioni scambio. Un gran numero di essi si verifica in soluzioni acquose. Un tipico esempio è la neutralizzazione di un acido con un alcali: NaOH + HCl \u003d NaCl + H 2 O.

Tuttavia, molte reazioni non rientrano nel semplice schema di cui sopra. In particolare, la reazione tra permanganato di potassio e ioduro di sodio non può essere assegnata a nessuna delle seguenti tipologie:

2KMnO 4 + 10NaI + 8H 2 SO 4 \u003d 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 5Na 2 SO 4 + 5I 2 + 8H 2 O.

Tali complesse equazioni sono solo una registrazione sommaria del processo, ma non riflettono quali fasi attraversa, quali sostanze intermedie si formano in questo processo.

A volte tutte le trasformazioni chimiche sono divise in due tipi: redox, in cui cambia lo stato di ossidazione degli atomi di alcuni elementi (vedi l'articolo "Ossidazione o riduzione?") E reazioni che si verificano senza modificare gli stati di ossidazione.

Per quanto riguarda la chimica organica, ha adottato una propria classificazione delle reazioni chimiche.

La combustione di qualsiasi combustibile è un tipico esempio di processo redox.

OSSIDAZIONE O RIDUZIONE?

L'uomo ha effettuato la prima reazione chimica quando ha imparato ad accendere il fuoco. Da quel momento fino ad oggi, le reazioni di combustione hanno svolto un ruolo fondamentale nelle nostre vite. Portano calore nelle case, spostano automobili, aerei e razzi, aiutano a estrarre sostanze preziose dalle materie prime naturali.

La teoria del flogisto di Stahl fu la prima a distinguere i processi di combustione e calcinazione dei metalli in un gruppo separato di reazioni (vedi l'articolo "La chimica nel 18° secolo"). La teoria della combustione dell'ossigeno, proposta da Lavoisier, generalizzava il materiale sperimentale accumulato nell'"epoca del flogisto". E inoltre, Lavoisier avanzò la teoria dell'ossigeno degli acidi: riteneva che gli acidi dovessero le loro proprietà alla presenza di ossigeno in essi (da cui il nome dell'elemento ossigenoium - "produttori di acidi"). Pertanto, le reazioni di combustione delle sostanze nell'aria iniziarono a essere chiamate ossidazione e

processi che sono l'inverso dell'ossidazione, cioè associati a una diminuzione della quantità di ossigeno in una sostanza: disossidazione o riduzione. Poiché una sostanza viene spesso distrutta durante le reazioni ossidative (come, ad esempio, durante la ruggine), il termine "riduzione" indica un processo opposto all'ossidazione.

In futuro, le idee sull'essenza del processo di ossidazione si sono notevolmente ampliate. Gli esperimenti hanno dimostrato che molte sostanze (idrogeno, metalli) bruciano non solo in ossigeno, ma anche in cloro e bromo. Quindi, l'ossidazione non è solo l'aggiunta di ossigeno. Nel 1914, lo scienziato russo Lev Vladimirovich Pisarzhevsky (1874-1938) propose la teoria elettrone-ione delle reazioni redox.

Oggi i chimici conoscono migliaia di varie reazioni redox, comprese quelle che si verificano negli organismi viventi.

COSA SONO OSSIDANTI E RIDUTTORI

L'agente ossidante più comune sulla Terra è l'ossigeno. Un agente ossidante molto più forte è l'ozono O 3 - una modifica allotropica dell'ossigeno. È in grado di ossidare molte sostanze che non reagiscono con l'ossigeno in condizioni normali, ad esempio ossido nitrico (1 /): 2NO 2 + O 3 \u003d N 2 O 5 + O 2 e argento: 2Ag + 2O 3 \u003d Ag 2 O 2 + 2 O 2.

L'agente ossidante più potente tra le sostanze semplici è il fluoro. Ma è troppo attivo, ed è difficile ottenerlo in forma gratuita. Pertanto, nei laboratori, il permanganato di potassio KMnO 4 viene utilizzato come agente ossidante. La sua capacità ossidante dipende dalla concentrazione della soluzione, dalla temperatura e dalla natura del mezzo. Oltre a questo, vengono utilizzati anche dicromato di potassio K 2 Cr 2 O 7, acido nitrico HNO 3, perossido di idrogeno H 2 O 2, cloro C1 2, ipoclorito di sodio NaClO. Agenti ossidanti molto forti sono i fluoruri di gas nobili. Il più forte ossidante conosciuto è il fluoruro di ossigeno OF 2 .

L'agente riducente più comune in natura è il carbonio. Trova largo impiego nell'industria per ottenere metalli dagli ossidi: Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO; ZnO+C=Zn+CO.

Un altro agente riducente ampiamente utilizzato è l'idrogeno. Come il carbonio, quando riscaldato, diventa

ko porta via gli atomi di ossigeno da molti ossidi, trasformandosi in acqua: CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O; WO 3 + ZN 2 \u003d W + ZN 2 O.

Agenti riducenti molto forti sono metalli alcalini e alcalino terrosi, alluminio. Ripristinano persino l'acqua, spostando l'idrogeno da essa: 2Na + 2H 2 O \u003d 2NaOH + H 2.

In pratica, per ottenerne alcuni vengono utilizzate le proprietà riducenti dei metalli metalli attivi dai loro ossidi e cloruri. Ecco come si ottiene il bario: ZVAO + 2Al \u003d ZVa + Al 2 O 3, stronzio: 3SrO + 2Al \u003d 3Sr + Al 2 O 3, titanio: TiCl 4 + 2Mg \u003d Ti + 2MgCl 2.

In condizioni di laboratorio, gli agenti riducenti sono composti contenenti elementi in bassi stati di ossidazione: acido solfidrico H 2 S (S -2), acido idroiodico HI (I -), stagno (II) cloruro SnCl 2 (Sn +2). Nella sintesi organica, per la riduzione vengono solitamente utilizzati idruri metallici complessi: idruro di litio e alluminio LiAlH 4 e boroidruro di sodio NaBH 4 ; contengono idrogeno nello stato di ossidazione -1.

L'agente riducente più debole è lo ione fluoruro F -. Può essere ossidato a fluoro libero solo mediante elettrolisi o ossidanti esotici. Ciò è spiegato dalla teoria degli agenti ossidanti e riducenti coniugati.

Quando un nastro di magnesio brucia nell'aria, gli elettroni degli atomi di magnesio passano agli atomi di ossigeno: 2Mg + O2 = 2MgO.

nisma. Possiamo affermare con sicurezza: la chimica della vita sono i processi di ossido-riduzione. COSA STA SUCCEDENDO LÌ? Nel corso delle trasformazioni chimiche, alcuni legami chimici si rompono, mentre altri si formano e in molti casi ...

La combustione del fosforo rosso in ossigeno procede molto intensamente. In pochi secondi, il fumo bianco riempie l'intero pallone. Dopo la fine della reazione, i più piccoli cristalli di ossido di fosforo (/) si depositano sul fondo e sulle pareti del recipiente.

In una reazione redox, un agente ossidante viene ridotto e un agente riducente viene ossidato.

L'ossidazione è il processo mediante il quale un atomo o uno ione perde elettroni. Il processo inverso di aggiunta di elettroni è chiamato riduzione. Un elemento che ... Qualsiasi reazione redox consiste in due processi, o ... Un agente ossidante e un agente riducente che partecipano a una semireazione sono chiamati coniugati. Ad esempio, una reazione di sostituzione...

Prima che si svolga una reazione, la composizione dei suoi prodotti spesso può essere solo indovinata...

Soluzioni di ferroina e bromato di potassio prima (a sinistra) e dopo (a destra) l'aggiunta di acido solforico.

Infine, viene determinato sotto forma di quali composti esistono i prodotti di reazione nelle condizioni date - in un ambiente acido, alcalino o neutro (vedi l'articolo ... Usando queste ricette, faremo un'equazione per la reazione tra solfato . .. FeSO4+H®?

SUA MAESTÀ LA SOLUZIONE

Se ne possono citare molti altri esempi simili confermando la validità del vecchio detto. Si stima che i chimici moderni oltre il 99% ...

Tutti coloro che bevono tè dolce sanno quale meravigliosa solubilità ha lo zucchero nell'acqua calda.

I chimici analitici sanno bene che l'acqua dissolve leggermente anche il vetro. Se macini la polvere di vetro con acqua in un mortaio, allora in presenza ... Ecco perché è così difficile da ottenere assolutamente acqua pulita, necessario per ... OSSERVARE IL FREDDO E IL BOLLO

Solubilità di sali e alcali in acqua a seconda della temperatura.

Solubilità dei gas in acqua a pressione atmosferica in funzione della temperatura.

l'abbassamento del punto di congelamento DТз della soluzione non dipende dalla natura chimica del soluto, ma dipende solo dalla sua concentrazione: ... è tornato...

I sali disciolti nell'acqua oceanica abbassano il punto di fusione del ghiaccio.

I libri popolari di botanica descrivono un simile esperimento. Nella parte larga della carota, è necessario praticare un foro lungo il suo asse, inserirlo lì ... Per la prima volta il fenomeno dell'osmosi è stato osservato dal naturalista francese Abbé Jean ... ha creato una pressione tale che la bolla si è gonfiata ed è scoppiata. Dopo Nollet, sono stati condotti molti esperimenti simili. Sono…

Svante August Arrhenius.

La disputa tra sostenitori e oppositori di Arrhenius continuò per più di un anno. E, come spesso accade nella scienza, in un'aspra disputa tra aderenti...

La dissoluzione del nitrato di ammonio è accompagnata da un notevole assorbimento

Calore. Un bicchiere di soluzione inumidito con acqua si congela Panchina di legno così forte da poter essere strappato dal tavolo.

UNA SOLUZIONE NON È UNA MISCELA MECCANICA!

Il fatto che durante la formazione delle soluzioni le molecole del solvente e del soluto non si mescolino semplicemente può essere dimostrato da molti esperimenti. Ad esempio, ha una soluzione di iodio in benzina, CCl 4 e altri cosiddetti solventi inerti viola- esattamente uguale a quello del vapore di iodio. La soluzione in benzene, alcol e una serie di altri solventi è marrone (come la tintura di iodio), in una soluzione acquosa di alcol polivinilico [-CH 2 -CH (OH) -] n- blu brillante (questa soluzione è usata in medicina come disinfettante chiamato "iodinolo"). Ed ecco la cosa curiosa: la reattività dello iodio in soluzioni "multicolori" non è la stessa. Quindi, nelle soluzioni marroni, lo iodio è molto più attivo rispetto a quelle viola, ad esempio reagisce più velocemente con il rame. Ciò è spiegato dal fatto che le molecole di iodio possono interagire con le molecole di solvente, formando complessi in cui lo iodio è più attivo.

Lo iodio è tutt'altro che l'unica sostanza che cambia la sua reattività sotto l'influenza di un solvente. Quindi, soluzioni di zolfo in disolfuro di carbonio CS 2, benzene C 6 H 6 e piridina C 5 H 5 N interagiscono con mercurio e argento a velocità diverse (durante la reazione si formano solfuri Ag 2 S e HgS). Cioè, il solvente non è solo un mezzo inerte che consente alle molecole (e, come si è scoperto in seguito, anche agli ioni) di muoversi liberamente e scontrarsi tra loro: a volte può interferire attivamente con il corso di una reazione chimica.

per LiF, 2240 kJ / mol per CaCl 2, ecc. Se l'energia totale di idratazione di cationi e anioni durante la formazione di una soluzione è maggiore dell'energia del reticolo cristallino, la dissoluzione sarà accompagnata da riscaldamento e se meno, raffreddando la soluzione. Ecco perché, quando sostanze come LiCl, CaCl 2 anidro e molte altre vengono sciolte in acqua, la soluzione si riscalda e quando KCl si dissolve,

Soluzioni di iodio in acqua, etanolo, benzene e tetracloruro di carbonio.

In soluzioni diluite di sali scarsamente solubili, si stabilisce un equilibrio tra un precipitato cristallino solido e ioni in soluzione: parte ... Se la concentrazione di cationi o anioni sul precipitato è fortemente ridotta, allora ...

Precipitazione di cloruro, bromuro e ioduro d'argento.

Queste considerazioni possono essere illustrate da una spettacolare catena di trasformazioni che coinvolgono gli ioni d'argento. Scriviamo i valori di PR tipico... Già la prima sostanza - Ag2CO3 praticamente non si dissolve in acqua. Ma se aggiungi a una soluzione incolore su ...

Ogni ione in una soluzione acquosa è circondato da un denso "rivestimento di idrato". Tra gli ioni inorganici, H+ idrata maggiormente, formando ioni H3O+, H5O+2, H9O4+, ecc.

*Le solubilità dei sali in acqua e in ammoniaca liquida sono molto diverse. In 100 g di NH 3 liquido a 25°C si può sciogliere:

NH 4 NO 3 389,6 g.

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ECCITAZIONE DI ATOMI E MOLECOLE- transizione quantistica di un atomo o di una molecola da un livello di energia inferiore (ad esempio, di base) a uno superiore quando assorbono fotoni (fotoeccitazione) o durante collisioni con elettroni e altre particelle (eccitazione per impatto).

Sotto l'influenza di luce di intensità piuttosto debole V. e. e m. si verifica come risultato dell'assorbimento di un fotone di frequenza ed energia, dov'è l'energia dell'inizio. e livelli energetici finali sistema atomico(tenendo conto della larghezza dei livelli). sezione trasversale fotoassorbimento è uguale a:

dove - lunghezza d'onda della luce, - statistica. pesi dei livelli di energia iniziale e finale; quantità adimensionale - la probabilità di emissione spontanea per intervallo di frequenza unitario, a seconda del tipo di atomi e delle caratteristiche dei livelli di energia

Nelle collisioni con elettroni e altri atti atomici V. a. loro. caratterizzato dalla sezione d'urto di eccitazione dipendente dalla struttura delle particelle in collisione e dalla loro velocità relativa. movimenti v(cm. Le collisioni sono atomiche Per analizzare la cinetica dell'eccitazione si usa una grandezza chiamata. velocità di eccitazione:

dove - f-zione della distribuzione delle velocità delle particelle eccitanti. Cinetico energia della particella uguale all'energia di transizione in un atomo (molecola), chiamata. soglia. Quando gli atomi neutri (tranne l'idrogeno) sono eccitati dagli elettroni, l'energia di soglia è zero. Con un aumento dell'energia degli elettroni fino a valori dell'ordine di 2-5 valori di soglia (a seconda della struttura dei gusci di elettroni), aumenta e ad alte energie inizia a diminuire. Nella parte crescente della curva di dipendenza dall'energia degli elettroni, possono essercene diversi. massimi associati insieme a dic. stati quantistici dell'atomo (vedi Interferenza di Stato).

Per l'atomo di idrogeno, le sezioni d'urto di eccitazione sono finite anche alle energie di soglia degli elettroni, il che è dovuto alla presenza degenerazione livelli con diff. valori del numero quantico orbitale (Fig. 1). Per tutto messo. anche la sezione d'urto ionica e l'eccitazione sono finite ai valori di soglia dell'energia elettronica a causa dell'interazione a lungo raggio tra lo ione e l'est. elettrone.

Eccitazione dell'atomo nelle collisioni con ioni e altri atomi, è efficace per la cinetica. energie delle particelle in collisione ~100 eV e superiori. A energie inferiori, sono estremamente piccoli e non sono stati osservati sperimentalmente nella regione delle energie di soglia. Qualità. la somiglianza delle sezioni trasversali delle collisioni interatomiche con le sezioni trasversali delle collisioni elettrone-atomo si realizza sulla scala delle velocità relative. movimento - a velocità dell'ordine e maggiori delle velocità degli elettroni orbitali. A velocità più basse (le cosiddette collisioni lente), il meccanismo di eccitazione è spiegato dalla formazione di una quasi-molecola durante la collisione e dalla transizione di elettroni tra livelli di energia molecolare. Sulla fig. La figura 2 mostra la sezione trasversale per l'eccitazione della transizione 1-2 nell'atomo di idrogeno mediante un impatto protonico.

Riso. 1. Sezione trasversale di eccitazione della transizione 1-2 in un atomo di idrogeno in una collisione con elettroni a seconda dell'energia degli elettroni; punti - dati sperimentali, curva solida - teorici.

L'eccitazione delle molecole nelle collisioni atomiche è caratterizzata da un'ampia varietà di processi dovuti alla presenza di oscillazioni. e ruota. strutture dei loro livelli energetici. L'eccitazione delle transizioni elettroniche (se mediata su stati vibrazionali-rotazionali) è generalmente descritta con le stesse regolarità dell'eccitazione degli atomi. Oscillazione. e oscillatorio elettronico. le transizioni sono state studiate in modo più completo rispetto a quelle rotazionali.

Riso. 2. Sezione di eccitazione della transizione 1-2 in un atomo di idrogeno in collisione con protoni in funzione dell'energia protonica; punti - dati sperimentali, curva solida - teorici.

Nelle collisioni atomico-molecolari, entrambe le particelle in collisione possono essere eccitate. La fotodissociazione delle molecole può anche portare alla formazione di atomi (e molecole) in uno stato eccitato (vedi - Dissociazione molecolare), ricarica di ioni in caso di collisione con atomi e molecole.

Illuminato.: Sobelman I. I., Introduzione alla teoria degli spettri atomici, M., 1977; Delaunay H. B., Krainov V. P., Atom in a strong light field, M., 1978; Drukarev G.F., Collisioni di elettroni con atomi e molecole, M., 1978; Vainshtein L.A., Sobelman I.I., Yukov E.A., Eccitazione degli atomi e , M., 1979.

LP Presnyakov.

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L'eccitazione di una molecola dallo stato fondamentale agli stati eccitati 5 e T è, di regola, accompagnata da una significativa ridistribuzione degli elettroni. Questa circostanza ha importanza per la fotochimica, che si occupa dello studio delle molecole eccitate, e principalmente nei primi stati di singoletto e tripletta. Gli stati eccitati più elevati sono di minore interesse, poiché la molecola passa molto rapidamente (in un tempo dell'ordine di 10-14 s) come risultato di processi non radiativi negli stati Si e Tj. I dati sulla densità elettronica, gli ordini di legame e le valenze libere mostrano che quando una molecola di fenolo viene eccitata, si verificano profondi cambiamenti nella distribuzione degli elettroni. Nel complesso, si può dire che, sebbene la vita degli stati eccitati sia breve, corrispondono a particelle, fisiche e Proprietà chimiche che sono così diverse dalle proprietà della stessa molecola allo stato fondamentale che sarebbe del tutto erroneo trasferire agli stati eccitati le regolarità relative allo stato fondamentale.

L'eccitazione di una molecola da parte di un campo elettromagnetico di luce è del tutto coerente con quella sotto l'azione delle forze di Londra, o, in altre parole, con il campo elettromagnetico del reagente. Pertanto, il principio di Franck-Condon può essere applicato anche alle reazioni chimiche; è chiamato in questo caso il principio del minimo movimento (principio del minimo movimento) Rice and Teller. Secondo questo principio, le molecole che reagiscono, prima di ridistribuire gli elettroni, devono trovarsi nella posizione che meglio si adatta a questo scopo. Cambiare la loro posizione in un brevissimo periodo di transizione elettronica è impossibile.

L'eccitazione di una molecola può anche essere dovuta ad un aumento dell'energia del moto vibrazionale degli atomi nella molecola o dell'energia del moto rotatorio della molecola stessa, o entrambi. Una molecola eccitata, proprio come una ionizzata, non può esistere a lungo in questo stato. A volte cede la sua energia in eccesso sotto forma di radiazione, a volte la trasferisce ad un'altra molecola, tornando al suo stato normale, a volte, se l'energia di eccitazione è sufficientemente alta, la molecola si dissocia o si unisce a un'altra molecola.

L'eccitazione di una molecola dallo stato fondamentale agli stati eccitati 5 e T è, di regola, accompagnata da una significativa ridistribuzione degli elettroni. Questa circostanza è di grande importanza per la fotochimica, che studia le molecole eccitate, principalmente nei primi stati di singoletto e tripletta. I dati sulla densità elettronica, gli ordini di legame e le valenze libere mostrano che quando una molecola di fenolo viene eccitata, si verificano profondi cambiamenti nella distribuzione degli elettroni. In generale si può dire che, sebbene la vita degli stati eccitati sia breve, essi corrispondono a particelle le cui proprietà fisiche e chimiche differiscono così tanto dalle proprietà della stessa molecola allo stato fondamentale che sarebbe del tutto erroneo trasferire la regolarità relative allo stato fondamentale agli stati eccitati.

L'eccitazione di molecole e atomi li rende altamente reattivi.

L'eccitazione delle molecole di N2 in una scarica elettrica per impatto di elettroni è molto intensa: quasi il 30% del loro numero totale passa ad un livello longevo, la cui energia coincide con il livello di lavoro superiore della molecola di CO2, quindi di secondo ordine le collisioni tra molecole di N2 eccitate e molecole di CO2 non eccitate risultano essere molto efficaci nell'attuazione delle inversioni.

L'eccitazione della molecola, che provoca una ridistribuzione della densità elettronica nella base eterociclica, porta ad uno spostamento dell'equilibrio tautomerico.

L'eccitazione di una molecola per assorbimento di radiazione dà luogo a tutta una serie di processi, a seguito dei quali l'energia in eccesso si dissipa e la molecola ritorna allo stato fondamentale. Questi processi possono essere suddivisi in radiativi (fluorescenza e fosforescenza) e non radiativi.

L'eccitazione delle molecole nelle collisioni atomiche è caratterizzata da un'ampia varietà di processi dovuti alla presenza di oscillazioni. Eccitazione di transizioni elettroniche (se mediata su vibrazionale-rotazionale

L'eccitazione di una molecola da parte della luce non porta necessariamente a un cambiamento chimico nella sostanza. I cambiamenti chimici derivano da due tipi di processi. Se le transizioni portano a uno stato di repulsione con una durata inferiore al periodo di una vibrazione, si verifica la dissociazione delle molecole eccitate. In uno stato eccitato o fondamentale, una molecola può avere energia vibrazionale sufficiente per provocarne la dissociazione. Di solito, quei legami che sono responsabili dell'assorbimento della luce si rompono. Una reazione chimica può essere il risultato dell'estinzione intermolecolare di una molecola eccitata da parte di un'altra molecola estranea. Il processo è primario, basato sull'interazione del quencher e della molecola eccitata. È anche possibile un processo secondario, che consiste nel trasferimento di energia dall'eccitazione della molecola al quencher per collisione anelastica, portando alla loro interazione. Una molecola eccitata, che in questo caso passa allo stato fondamentale, è spesso chiamata fotosensibilizzante.

L'eccitazione di molecole da un campo elettromagnetico è uno dei modi efficaci stimolazione delle reazioni chimiche e studio della dinamica dei processi elementari di shock e radiazione.

L'eccitazione di molecole e atomi li rende altamente reattivi. Uno sviluppo simile a una valanga del processo a catena gioca qui un ruolo importante, a seguito del quale la reazione si trasforma in un'esplosione.

L'eccitazione della molecola è associata alla transizione di uno degli elettroni accoppiati a un orbitale vuoto con un'energia maggiore. Se, in questo caso, lo spin dell'elettrone non cambia segno, il nuovo stato della molecola viene solitamente chiamato stato eccitato di singoletto.