Le métal est une liaison multicentrique qui existe dans les métaux et leurs alliages entre des ions chargés positivement et des électrons de valence, qui sont communs à tous les ions et se déplacent librement dans le cristal.
Ils ont un petit nombre d’électrons de valence et une faible ionisation. En raison des grands rayons des atomes métalliques, ces électrons sont plutôt faiblement liés à leurs noyaux et peuvent facilement s'en détacher et devenir communs à l'ensemble du cristal métallique. En conséquence, des ions métalliques chargés positivement et des gaz électroniques apparaissent dans le réseau cristallin du métal - une collection d'électrons mobiles qui se déplacent librement dans le cristal métallique.
En conséquence, le métal est constitué d'un certain nombre d'ions positifs localisés dans certaines positions et d'un grand nombre d'électrons qui se déplacent relativement librement dans le champ des centres positifs. La structure spatiale des métaux est un cristal, qui peut être imaginé comme une cellule avec des ions chargés positivement à ses nœuds, immergés dans un gaz d'électrons chargés négativement. Tous les atomes abandonnent leurs électrons de valence pour former un gaz électronique ; ils se déplacent librement à l’intérieur du cristal sans rompre la liaison chimique.
La théorie de la libre circulation des électrons dans le réseau cristallin des métaux a été confirmée expérimentalement par l'expérience de Tolman et Stewart (en 1916) : avec un freinage brusque d'une bobine préalablement non torsadée avec un fil enroulé, les électrons libres ont continué à se déplacer pendant un certain temps. par inertie, et à ce moment un ampèremètre connecté aux bobines du circuit, enregistrait une impulsion de courant électrique.
Variétés de modèles de liaisons métalliques
Les signes d'une liaison métallique sont les caractéristiques suivantes :
- Multiélectronique, puisque tous les électrons de valence participent à la formation d'une liaison métallique ;
- Multicentrique, ou délocalisation - une liaison relie simultanément un grand nombre d'atomes contenus dans un cristal métallique ;
- Isotropie, ou non-directionnalité - en raison du mouvement sans entrave du gaz électronique dans toutes les directions simultanément, la liaison métallique est à symétrie sphérique.
Les cristaux métalliques forment principalement trois types de réseaux cristallins, mais certains métaux peuvent avoir des structures différentes en fonction de la température.
Réseaux cristallins de métaux : a) cubiques à faces centrées (Cu, Au, Ag, Al) ; b) corps cubique centré (Li, Na, Ba, Mo, W, V) ; c) hexagonal (Mg, Zn, Ti, Cd, Cr) Les liaisons métalliques existent dans les cristaux et les masses fondues de tous les métaux et alliages. Sous sa forme pure, il est caractéristique des métaux alcalins et alcalino-terreux. Dans les métaux de transition, la liaison entre les atomes est partiellement covalente.
Liaison chimique
Toutes les interactions conduisant à la combinaison de particules chimiques (atomes, molécules, ions, etc.) en substances sont divisées en liaisons chimiques et liaisons intermoléculaires (interactions intermoléculaires).
Liaisons chimiques- se lie directement entre les atomes. Il existe des liaisons ioniques, covalentes et métalliques.
Liaisons intermoléculaires- les connexions entre molécules. Ce sont des liaisons hydrogène, des liaisons ion-dipôle (en raison de la formation de cette liaison, par exemple, la formation d'une couche d'hydratation d'ions se produit), un dipôle-dipôle (en raison de la formation de cette liaison, des molécules de substances polaires sont combinées , par exemple, dans l'acétone liquide), etc.
Liaison ionique- une liaison chimique formée par l'attraction électrostatique d'ions de charges opposées. Dans les composés binaires (composés de deux éléments), il se forme lorsque les tailles des atomes liés sont très différentes les unes des autres : certains atomes sont grands, d'autres sont petits - c'est-à-dire que certains atomes cèdent facilement des électrons, tandis que d'autres ont tendance à acceptez-les (il s'agit généralement d'atomes d'éléments qui forment des métaux typiques et d'atomes d'éléments qui forment des non-métaux typiques) ; l'électronégativité de ces atomes est également très différente.
La liaison ionique est non directionnelle et non saturable.
Liaison covalente- une liaison chimique résultant de la formation d'une paire commune d'électrons. Une liaison covalente se forme entre de petits atomes de rayon identique ou similaire. Une condition nécessaire est la présence d'électrons non appariés dans les deux atomes liés (mécanisme d'échange) ou d'un doublet libre dans un atome et d'une orbitale libre dans l'autre (mécanisme donneur-accepteur) :
| UN) | H· + ·H H:H | H-H | H2 | (une paire d'électrons partagée ; H est monovalent) ; |
| b) | N.N. | N 2 | (trois paires d'électrons partagées ; N est trivalent) ; | |
| V) | H-F | HF | (une paire d'électrons partagée ; H et F sont monovalents) ; | |
| G) | NH4+ | (quatre paires d'électrons partagées ; N est tétravalent) |
- En fonction du nombre de paires d'électrons partagées, les liaisons covalentes sont divisées en
- simple (unique)- une paire d'électrons,
- double- deux paires d'électrons,
- triples- trois paires d'électrons.
Les liaisons doubles et triples sont appelées liaisons multiples.
Selon la répartition de la densité électronique entre les atomes liés, une liaison covalente est divisée en non polaire Et polaire. Une liaison non polaire se forme entre des atomes identiques, une liaison polaire entre des atomes différents.
Électronégativité- une mesure de la capacité d'un atome dans une substance à attirer des paires d'électrons communes.
Les paires électroniques des liaisons polaires sont déplacées vers des éléments plus électronégatifs. Le déplacement des paires d’électrons lui-même est appelé polarisation des liaisons. Les charges partielles (excédentaires) formées lors de la polarisation sont désignées + et -, par exemple : .
En fonction de la nature du chevauchement des nuages d'électrons ("orbitales"), une liaison covalente est divisée en -liaison et -liaison.
-Une liaison se forme en raison du chevauchement direct des nuages d'électrons (le long de la ligne droite reliant les noyaux atomiques), -une liaison se forme en raison du chevauchement latéral (des deux côtés du plan dans lequel se trouvent les noyaux atomiques).
Une liaison covalente est directionnelle et saturable, ainsi que polarisable.
Le modèle d'hybridation est utilisé pour expliquer et prédire la direction mutuelle des liaisons covalentes.
Hybridation d'orbitales atomiques et de nuages d'électrons- l'alignement supposé des orbitales atomiques en énergie, et de la forme des nuages d'électrons lorsqu'un atome forme des liaisons covalentes.
Les trois types d’hybridation les plus courants sont : sp-, sp 2 et sp 3-hybridation. Par exemple:
sp-hybridation - en molécules C 2 H 2, BeH 2, CO 2 (structure linéaire) ;
sp 2-hybridation - en molécules C 2 H 4, C 6 H 6, BF 3 (forme triangulaire plate);
sp 3-hybridation - en molécules CCl 4, SiH 4, CH 4 (forme tétraédrique); NH 3 (forme pyramidale) ; H 2 O (forme angulaire).
Connexion métallique- une liaison chimique formée en partageant les électrons de valence de tous les atomes liés d'un cristal métallique. En conséquence, un seul nuage électronique du cristal se forme, qui se déplace facilement sous l'influence de la tension électrique - d'où la conductivité électrique élevée des métaux.
Une liaison métallique se forme lorsque les atomes liés sont gros et ont donc tendance à céder des électrons. Les substances simples avec une liaison métallique sont des métaux (Na, Ba, Al, Cu, Au, etc.), les substances complexes sont des composés intermétalliques (AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8, etc.).
La liaison métallique n'a ni directionnalité ni saturation. Il est également conservé dans des métaux fondus.
Liaison hydrogène- une liaison intermoléculaire formée en raison de l'acceptation partielle d'une paire d'électrons d'un atome hautement électronégatif par un atome d'hydrogène avec une charge partielle positive importante. Il se forme dans les cas où une molécule contient un atome avec une paire d'électrons non liants et une électronégativité élevée (F, O, N), et l'autre contient un atome d'hydrogène lié par une liaison hautement polaire à l'un de ces atomes. Exemples de liaisons hydrogène intermoléculaires :
H-O-H OH 2 , H-O-H NH 3 , H-O-H F-H, H-F H-F.
Des liaisons hydrogène intramoléculaires existent dans les molécules de polypeptides, d'acides nucléiques, de protéines, etc.
L’énergie de liaison est une mesure de la force de toute liaison.
Énergie de communication- l'énergie nécessaire pour rompre une liaison chimique donnée dans 1 mole d'une substance. L'unité de mesure est 1 kJ/mol.
Les énergies des liaisons ioniques et covalentes sont du même ordre, l'énergie des liaisons hydrogène est d'un ordre de grandeur inférieure.
L'énergie d'une liaison covalente dépend de la taille des atomes liés (longueur de la liaison) et de la multiplicité de la liaison. Plus les atomes sont petits et plus la multiplicité des liaisons est grande, plus leur énergie est grande.
L'énergie de la liaison ionique dépend de la taille des ions et de leurs charges. Plus les ions sont petits et plus leur charge est grande, plus l'énergie de liaison est grande.
Structure de la matière
Selon le type de structure, toutes les substances sont divisées en moléculaire Et non moléculaire. Parmi les substances organiques, les substances moléculaires prédominent, parmi les substances inorganiques, les substances non moléculaires prédominent.
En fonction du type de liaison chimique, les substances sont divisées en substances à liaisons covalentes, substances à liaisons ioniques (substances ioniques) et substances à liaisons métalliques (métaux).
Les substances ayant des liaisons covalentes peuvent être moléculaires ou non moléculaires. Cela affecte considérablement leurs propriétés physiques.
Les substances moléculaires sont constituées de molécules reliées les unes aux autres par des liaisons intermoléculaires faibles, notamment : H 2, O 2, N 2, Cl 2, Br 2, S 8, P 4 et d'autres substances simples ; CO 2, SO 2, N 2 O 5, H 2 O, HCl, HF, NH 3, CH 4, C 2 H 5 OH, polymères organiques et bien d'autres substances. Ces substances n'ont pas une résistance élevée, ont des points de fusion et d'ébullition bas, ne conduisent pas l'électricité et certaines d'entre elles sont solubles dans l'eau ou d'autres solvants.
Les substances non moléculaires avec des liaisons covalentes ou des substances atomiques (diamant, graphite, Si, SiO 2, SiC et autres) forment des cristaux très résistants (à l'exception du graphite en couches), elles sont insolubles dans l'eau et dans d'autres solvants, ont un point de fusion élevé et points d'ébullition, la plupart d'entre eux ne conduisent pas le courant électrique (à l'exception du graphite, qui est électriquement conducteur, et des semi-conducteurs - silicium, germanium, etc.)
Toutes les substances ioniques sont naturellement non moléculaires. Ce sont des substances solides et réfractaires, des solutions et des masses fondues qui conduisent le courant électrique. Beaucoup d'entre eux sont solubles dans l'eau. Il est à noter que dans les substances ioniques dont les cristaux sont constitués d'ions complexes, il existe également des liaisons covalentes, par exemple : (Na +) 2 (SO 4 2-), (K +) 3 (PO 4 3-) , (NH 4 + )(NO 3-), etc. Les atomes qui composent les ions complexes sont reliés par des liaisons covalentes.
Métaux (substances avec des liaisons métalliques) très diverses dans leurs propriétés physiques. Parmi eux, on trouve des métaux liquides (Hg), très mous (Na, K) et très durs (W, Nb).
Les propriétés physiques caractéristiques des métaux sont leur conductivité électrique élevée (contrairement aux semi-conducteurs, elle diminue avec l'augmentation de la température), leur capacité thermique élevée et leur ductilité (pour les métaux purs).
A l’état solide, presque toutes les substances sont composées de cristaux. En fonction du type de structure et du type de liaison chimique, les cristaux (« réseaux cristallins ») sont divisés en atomique(cristaux de substances non moléculaires avec liaisons covalentes), ionique(cristaux de substances ioniques), moléculaire(cristaux de substances moléculaires avec des liaisons covalentes) et métal(cristaux de substances avec une liaison métallique).
Tâches et tests sur le thème "Thème 10. "Liaison chimique. Structure de la matière."
- Types de liaison chimique - Structure de la matière grade 8-9
Leçons : 2 Devoirs : 9 Tests : 1
- Devoirs : 9 Tests : 1
Après avoir parcouru ce sujet, vous devez comprendre les concepts suivants : liaison chimique, liaison intermoléculaire, liaison ionique, liaison covalente, liaison métallique, liaison hydrogène, liaison simple, liaison double, liaison triple, liaisons multiples, liaison non polaire, liaison polaire. , électronégativité, polarisation des liaisons, - et -liaison, hybridation des orbitales atomiques, énergie de liaison.
Vous devez connaître la classification des substances par type de structure, par type de liaison chimique, la dépendance des propriétés des substances simples et complexes sur le type de liaison chimique et le type de « réseau cristallin ».
Vous devez être capable de : déterminer le type de liaison chimique dans une substance, le type d'hybridation, dresser des schémas de formation de liaison, utiliser la notion d'électronégativité, un nombre d'électronégativité ; savoir comment l'électronégativité change dans les éléments chimiques de la même période et d'un groupe pour déterminer la polarité d'une liaison covalente.
Après vous être assuré que tout ce dont vous avez besoin a été appris, passez à l'exécution des tâches. Nous vous souhaitons du succès.
Lecture recommandée :
- O. S. Gabrielyan, G. G. Lysova. Chimie 11e année. M., Outarde, 2002.
- GE Rudzitis, FG Feldman. Chimie 11e année. M., Éducation, 2001.
Classement des matériaux
Actuellement, tous les matériaux modernes sont classés en conséquence.
Les plus importantes en technologie sont les classifications selon fonctionnel et structurel caractéristiques des matériaux.
Le principal critère de classification des matériaux selon les caractéristiques structurelles est l'état d'agrégation, en fonction duquel ils sont répartis dans les types suivants : matériaux solides, liquides, gaz, plasma.
Les matériaux solides, à leur tour, sont divisés en cristallins et non cristallins.
Les matériaux cristallins peuvent être divisés selon le type de liaison entre les particules : atomique (covalente), ionique, métallique, moléculaire (Fig. 2.1.).
Types de liaisons entre atomes (molécules) dans les cristaux
Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement et d’électrons (chargés négativement) se déplaçant autour de lui. Un atome à l’état stationnaire est électriquement neutre. Il existe des électrons externes (de valence), dont la connexion avec le noyau est insignifiante, et des électrons internes, qui sont fermement associés au noyau.
La formation du réseau cristallin se produit comme suit. Lors du passage d'un état liquide à un état cristallin, la distance entre les atomes diminue et les forces d'interaction entre eux augmentent.
La connexion entre les atomes s'effectue par des forces électrostatiques, c'est-à-dire Par nature, la connexion est la même - elle est de nature électrique, mais se manifeste différemment selon les cristaux. On distingue les types de liaisons suivants : ioniques, covalentes, polaires, métalliques.
Type de liaison covalente
Une liaison covalente se forme grâce aux paires d’électrons partagées qui apparaissent dans les coquilles des atomes liés.
Elle pourrait être formé d'atomes du même élément et alors il est apolaire ; par exemple, une telle liaison covalente existe dans les molécules de gaz à un seul élément H 2, O 2, N 2, Cl 2, etc.
Une liaison covalente peut être formé d'atomes d'éléments différents, de caractère chimique similaire, et donc polaire ; par exemple, une telle liaison covalente existe dans les molécules H 2 O, NF 3, CO 2.
Une liaison covalente se forme entre des atomes d’éléments de nature électronégative.
Avec ce type de liaison, les électrons de valence libres des atomes voisins sont partagés. Dans le but d'acquérir une couche de valence stable composée de 8 électrons, les atomes se combinent en molécules, formant une ou plusieurs paires d'électrons, qui deviennent communes aux atomes connectés, c'est-à-dire font simultanément partie des couches électroniques de deux atomes.
Les matériaux comportant des liaisons covalentes sont très fragiles, mais ont une dureté élevée (diamant). Il s'agit généralement de diélectriques ou de semi-conducteurs (germanium, silicium), car les charges électriques sont interconnectées et il n’y a pas d’électrons libres.
Les atomes des molécules de gaz simples (H 2, Cl 2, etc.) sont reliés par des liaisons covalentes.
La seule substance connue de l’homme présentant un exemple de liaison covalente entre un métal et un carbone est la cyanocobalamine, connue sous le nom de vitamine B12.
Cristaux liés ioniques (NaCl)
Liaison ionique est une liaison chimique instruit en raison de attraction électrostatique entre cations Et anions.
La formation de tels cristaux est formée par la transition d'électrons d'atomes d'un type vers des atomes d'un autre de Na à Cl. Un atome qui perd un électron devient un ion chargé positivement, tandis qu'un atome qui gagne un électron devient un ion négatif. La convergence d'ions de signes différents se produit jusqu'à ce que les forces répulsives du noyau et des couches électroniques équilibrent les forces d'attraction. La plupart des diélectriques minéraux et certains matériaux organiques ont des liaisons ioniques (NaCl, CsCl, CaF2.)
Les solides comportant des liaisons ioniques sont dans la plupart des cas mécaniquement solides et résistants à la température, mais souvent cassants. Les matériaux présentant ce type de connexion ne sont pas utilisés comme matériaux de structure.
Type de connexion métallique
Dans les métaux, la liaison entre les atomes individuels se forme grâce à l'interaction de noyaux chargés positivement et d'électrons collectivisés, qui se déplacent librement dans les espaces interatomiques. Ces électrons agissent comme du ciment, retenant les ions positifs ensemble ; sinon, le réseau se désintégrerait sous l’influence des forces répulsives entre les ions. Dans le même temps, les électrons sont retenus par les ions dans le réseau cristallin et ne peuvent pas le quitter. Cette liaison est dite métallique.
La présence d'électrons libres conduit à une conductivité électrique et thermique élevée du métal et est également à l'origine de la brillance des métaux. La malléabilité des métaux s'explique par le mouvement et le glissement des couches individuelles d'atomes.
Dans presque tous les matériaux, il n’existe pas un, mais plusieurs types de liaisons. Les propriétés des matériaux sont déterminées par les types dominants de liaisons chimiques des atomes et des molécules de la substance du matériau.
À partir de matériaux atomiques-cristallins dont la structure est dominée par liaisons covalentes, les modifications polymorphes du carbone et des matériaux semi-conducteurs basées sur des éléments du groupe IV du tableau périodique sont de la plus haute importance en technologie. Les représentants typiques des premiers sont le diamant et le graphite - la modification la plus courante et la plus stable du carbone avec une structure en couches dans la croûte terrestre. Le germanium cristallin et le silicium semi-conducteurs sont les principaux matériaux de l'électronique semi-conductrice.
Certains composés avec des liaisons covalentes, tels que Fe 3 C, SiO, AlN, sont d'un grand intérêt - ces composés jouent un rôle important dans les alliages techniques.
Dans la vaste totalité cristal ionique les matériaux qui ont une structure cristalline avec une liaison de type ionique comprennent les oxydes métalliques (composés de métaux avec de l'oxygène), qui sont des composants des minerais les plus importants, les additifs technologiques pour la fusion des métaux, ainsi que les composés chimiques de métaux et de non-métaux ( bore, carbone, azote), qui sont utilisés comme composants d'alliage.
Le type de liaison métallique est caractéristique de plus de 80 éléments du tableau périodique.
À solides cristallins des matériaux avec une structure peuvent également être inclus cristaux moléculaires, ce qui est caractéristique de nombreux matériaux polymères dont les molécules sont constituées d'un grand nombre d'unités répétitives. Il s'agit de biopolymères - composés naturels de haut poids moléculaire et leurs dérivés (y compris le bois) ; polymères synthétiques obtenus à partir de composés organiques simples dont les molécules ont des chaînes principales inorganiques et ne contiennent pas de groupes latéraux organiques. Les polymères inorganiques comprennent les silicates et les liants. Les silicates naturels constituent une classe de minéraux rocheux les plus importants, constituant environ 80 % de la masse de la croûte terrestre. Les liants inorganiques comprennent le ciment, le gypse, la chaux, etc. Les cristaux moléculaires de gaz inertes - éléments du groupe VIII du système périodique - s'évaporent à basse température sans se transformer en état liquide. Ils trouvent une application en cryoélectronique, qui concerne la création de dispositifs électroniques basés sur des phénomènes qui se produisent dans les solides à des températures cryogéniques.
Riz. 1.2. Disposition des atomes dans la matière cristalline (a) et amorphe (b)
La deuxième classe de matériaux consiste matériaux solides non cristallins. Ils sont divisés sur la base de l'ordre et de la stabilité de la structure en amorphes, vitreux et non vitreux dans un état semi-désordonné.
Les représentants typiques des matériaux amorphes sont les semi-conducteurs amorphes, les métaux et alliages amorphes.
Au groupe vitreux les matériaux comprennent : un certain nombre de polymères organiques (polyacrylate de méthyle à des températures inférieures à 105 °C, chlorure de polyvinyle - inférieures à 82 °C et autres) ; de nombreux matériaux inorganiques - verre inorganique à base d'oxydes de silicium, de bore, d'aluminium, de phosphore, etc. ; de nombreux matériaux pour la coulée de la pierre - basaltes et diabases à structure vitreuse, laitiers métallurgiques, carbonates naturels à structure insulaire et chaîne (dolomite, marne, marbre, etc.).
Dans un état non vitreux et semi-désordonné se trouvent les gelées (systèmes structurés polymère-solvant formés lors de la solidification de solutions de polymères ou du gonflement de polymères solides), de nombreux polymères synthétiques à l'état hautement élastique, les caoutchoucs, la plupart des matériaux à base de biopolymères. , y compris les textiles et les cuirs, mais aussi les liants organiques - bitume, goudron, brais, etc.
Par objectif fonctionnel les matériaux techniques sont répartis dans les groupes suivants.
Matériaux de construction - matériaux solides destinés à la fabrication de produits soumis à des contraintes mécaniques. Ils doivent avoir un ensemble de propriétés mécaniques qui garantissent les performances et la durée de vie requises des produits lorsqu'ils sont exposés à l'environnement de travail, à la température et à d'autres facteurs.
Riz. 1.1. Classification des matériaux cristallins solides selon leurs caractéristiques structurelles
Dans le même temps, ils sont soumis à des exigences technologiques qui déterminent la fabrication de pièces et de structures la moins exigeante en main-d'œuvre, et à des exigences économiques concernant le coût et la disponibilité du matériau, ce qui est très important dans des conditions de production de masse. Les matériaux structurels comprennent les métaux, les silicates et les céramiques, les polymères, le caoutchouc, le bois et de nombreux matériaux composites.
Matériel électrique caractérisés par des propriétés électriques et magnétiques particulières et sont destinés à la fabrication de produits utilisés pour la production, le transport, la conversion et la consommation d'électricité. Il s'agit notamment des matériaux magnétiques, des conducteurs, des semi-conducteurs ainsi que des diélectriques en phases solide, liquide et gazeuse.
Matériaux tribotechniques sont destinés à être utilisés dans les unités de friction afin de réguler les paramètres de friction et d'usure afin de garantir les performances et la durée de vie spécifiées de ces unités. Les principaux types de ces matériaux sont les matériaux lubrifiants, antifriction et de friction. Les premiers comprennent les lubrifiants en phase solide (graphite, talc, bisulfure de molybdène, etc.), liquide (huiles lubrifiantes) et gazeuse (air, vapeurs d'hydrocarbures et autres gaz). L'ensemble des matériaux antifriction comprend les alliages de métaux non ferreux (). régule, bronze, etc. ), la fonte grise, les plastiques (textolite, matériaux à base de fluoroplastique, etc.), les matériaux composites métallo-céramiques (bronze-graphite, fer-graphite, etc.), certains types de bois et bois- les plastiques stratifiés, le caoutchouc, de nombreux composites ont un coefficient de frottement élevé et une résistance à l'usure élevée. Il s'agit notamment de certains types de plastiques, de fonte, de cermets et d'autres matériaux composites.
Matériaux d'outils Ils se caractérisent par des niveaux élevés de dureté, de résistance à l'usure et de résistance ; ils sont destinés à la fabrication d'outils de coupe, de mesure, de plomberie et autres. Cela inclut des matériaux tels que l'acier à outils et les alliages durs, le diamant et certains types de matériaux céramiques, ainsi que de nombreux matériaux composites.
Fluides de travail - matières gazeuses et liquides à l’aide desquelles l’énergie est transformée en travail mécanique, en froid et en chaleur. Les fluides de travail sont la vapeur d'eau dans les machines à vapeur et les turbines ; ammoniac, dioxyde de carbone, fréon et autres réfrigérants dans les machines frigorifiques ; huiles hydrauliques; air dans les moteurs pneumatiques ; produits gazeux de combustion de carburant organique dans les turbines à gaz et les moteurs à combustion interne.
Carburant - matériaux combustibles, dont la majeure partie est du carbone, utilisés pour produire de l'énergie thermique lorsqu'ils sont brûlés. En fonction de leur origine, les combustibles sont divisés en naturels (pétrole, charbon, gaz naturel, schiste bitumineux, tourbe, bois) et artificiels (coke, carburants, gaz de générateur, etc.) ; selon le type de machine dans laquelle il est brûlé - fusée, moteur, nucléaire, turbine, etc.
163120 0
Chaque atome possède un certain nombre d'électrons.
Lorsqu’ils entrent dans des réactions chimiques, les atomes donnent, gagnent ou partagent des électrons, obtenant ainsi la configuration électronique la plus stable. La configuration avec la plus faible énergie (comme dans les atomes de gaz rares) s'avère être la plus stable. Ce modèle est appelé « règle d'octet » (Fig. 1).
Riz. 1.
Cette règle s'applique à tout le monde types de connexions. Les connexions électroniques entre les atomes leur permettent de former des structures stables, des cristaux les plus simples aux biomolécules complexes qui forment finalement des systèmes vivants. Ils diffèrent des cristaux par leur métabolisme continu. Parallèlement, de nombreuses réactions chimiques se déroulent selon les mécanismes virement électronique, qui jouent un rôle essentiel dans les processus énergétiques du corps.
Une liaison chimique est la force qui maintient ensemble deux ou plusieurs atomes, ions, molécules ou toute combinaison de ceux-ci..
La nature d'une liaison chimique est universelle : il s'agit d'une force d'attraction électrostatique entre des électrons chargés négativement et des noyaux chargés positivement, déterminée par la configuration des électrons de la coque externe des atomes. La capacité d’un atome à former des liaisons chimiques s’appelle valence, ou état d'oxydation. La notion de électrons de valence- des électrons qui forment des liaisons chimiques, c'est-à-dire situés dans les orbitales les plus énergétiques. En conséquence, la coque externe de l’atome contenant ces orbitales est appelée coquille de valence. Actuellement, il ne suffit pas d'indiquer la présence d'une liaison chimique, mais il faut en préciser le type : ionique, covalente, dipôle-dipôle, métallique.
Le premier type de connexion estionique connexion
Selon la théorie de la valence électronique de Lewis et Kossel, les atomes peuvent atteindre une configuration électronique stable de deux manières : premièrement, en perdant des électrons, devenant cations, deuxièmement, les acquérir, se transformer en anions. À la suite du transfert d'électrons, dû à la force d'attraction électrostatique entre des ions de charges de signes opposés, une liaison chimique se forme, appelée par Kossel " électrovalent"(maintenant appelé ionique).
Dans ce cas, les anions et les cations forment une configuration électronique stable avec une couche électronique externe remplie. Les liaisons ioniques typiques sont formées à partir de cations des groupes T et II du système périodique et d'anions d'éléments non métalliques des groupes VI et VII (16 et 17 sous-groupes, respectivement, chalcogènes Et halogènes). Les liaisons des composés ioniques sont insaturées et non directionnelles, elles conservent donc la possibilité d'interaction électrostatique avec d'autres ions. Sur la fig. Les figures 2 et 3 montrent des exemples de liaisons ioniques correspondant au modèle de Kossel de transfert d'électrons.
Riz. 2.
Riz. 3. Liaison ionique dans une molécule de sel de table (NaCl)
Il convient ici de rappeler certaines propriétés qui expliquent le comportement des substances dans la nature, en particulier l'idée de acides Et raisons.
Les solutions aqueuses de toutes ces substances sont des électrolytes. Ils changent de couleur différemment indicateurs. Le mécanisme d'action des indicateurs a été découvert par F.V. Ostwald. Il a montré que les indicateurs sont des acides ou des bases faibles, dont la couleur diffère selon les états non dissociés et dissociés.
Les bases peuvent neutraliser les acides. Toutes les bases ne sont pas solubles dans l'eau (par exemple, certains composés organiques qui ne contiennent pas de groupes OH sont insolubles, notamment triéthylamine N(C 2 H 5) 3); les bases solubles sont appelées alcalis.
Les solutions aqueuses d'acides subissent des réactions caractéristiques :
a) avec des oxydes métalliques - avec formation de sel et d'eau ;
b) avec des métaux - avec formation de sel et d'hydrogène ;
c) avec des carbonates - avec formation de sel, CO 2 et N 2 Ô.
Les propriétés des acides et des bases sont décrites par plusieurs théories. Conformément à la théorie de S.A. Arrhenius, un acide est une substance qui se dissocie pour former des ions N+ , tandis que la base forme des ions IL- . Cette théorie ne prend pas en compte l’existence de bases organiques dépourvues de groupes hydroxyles.
Conformément à proton Selon la théorie de Brønsted et Lowry, un acide est une substance contenant des molécules ou des ions qui donnent des protons ( donateurs protons), et une base est une substance constituée de molécules ou d'ions qui acceptent les protons ( accepteurs protons). A noter que dans les solutions aqueuses, les ions hydrogène existent sous forme hydratée, c'est-à-dire sous forme d'ions hydronium. H3O+ . Cette théorie décrit les réactions non seulement avec l'eau et les ions hydroxyde, mais également celles réalisées en l'absence de solvant ou avec un solvant non aqueux.
Par exemple, dans la réaction entre l'ammoniac N.H. 3 (base faible) et du chlorure d'hydrogène en phase gazeuse, du chlorure d'ammonium solide se forme et dans un mélange à l'équilibre de deux substances, il y a toujours 4 particules, dont deux sont des acides et les deux autres sont des bases :
Ce mélange à l'équilibre est constitué de deux paires conjuguées d'acides et de bases :
1)N.H. 4+ et N.H. 3
2) HCl Et Cl ‑
Ici, dans chaque paire conjuguée, l’acide et la base diffèrent d’un proton. Chaque acide a une base conjuguée. Un acide fort a une base conjuguée faible et un acide faible a une base conjuguée forte.
La théorie de Brønsted-Lowry contribue à expliquer le rôle unique de l'eau pour la vie de la biosphère. L'eau, selon la substance qui interagit avec elle, peut présenter les propriétés d'un acide ou d'une base. Par exemple, dans les réactions avec des solutions aqueuses d'acide acétique, l'eau est une base et dans les réactions avec des solutions aqueuses d'ammoniac, c'est un acide.
1) CH 3 COOH + H2O ↔ H3O + + CH 3 COO- . Ici, une molécule d'acide acétique donne un proton à une molécule d'eau ;
2) NH3 + H2O ↔ NH4 + + IL- . Ici, une molécule d'ammoniac accepte un proton d'une molécule d'eau.
Ainsi, l’eau peut former deux couples conjugués :
1) H2O(acide) et IL- (base conjuguée)
2) H 3 O+ (acide) et H2O(base conjuguée).
Dans le premier cas, l’eau donne un proton et dans le second, elle l’accepte.
Cette propriété est appelée amphiprotonisme. Les substances qui peuvent réagir à la fois comme acides et comme bases sont appelées amphotère. De telles substances se trouvent souvent dans la nature vivante. Par exemple, les acides aminés peuvent former des sels avec des acides et des bases. Par conséquent, les peptides forment facilement des composés de coordination avec les ions métalliques présents.
Ainsi, une propriété caractéristique d’une liaison ionique est le mouvement complet des électrons de liaison vers l’un des noyaux. Cela signifie qu’il existe entre les ions une région où la densité électronique est presque nulle.
Le deuxième type de connexion estcovalent connexion
Les atomes peuvent former des configurations électroniques stables en partageant des électrons.
Une telle liaison se forme lorsqu’une paire d’électrons est partagée un à la fois. de tout le monde atome. Dans ce cas, les électrons de liaison partagés sont répartis également entre les atomes. Des exemples de liaisons covalentes comprennent homonucléaire diatomique molécules H 2 , N 2 , F 2. Le même type de connexion se retrouve dans les allotropes Ô 2 et ozone Ô 3 et pour une molécule polyatomique S 8 et aussi molécules hétéronucléaires chlorure d'hydrogène HCl, dioxyde de carbone CO 2, méthane CH 4, éthanol AVEC 2 N 5 IL, hexafluorure de soufre SF 6, acétylène AVEC 2 N 2. Toutes ces molécules partagent les mêmes électrons et leurs liaisons sont saturées et dirigées de la même manière (Fig. 4).
Il est important pour les biologistes que les liaisons doubles et triples aient des rayons atomiques covalents réduits par rapport à une liaison simple.
Riz. 4. Liaison covalente dans une molécule de Cl 2.
Les types de liaisons ioniques et covalentes sont deux cas extrêmes parmi les nombreux types de liaisons chimiques existants et, en pratique, la plupart des liaisons sont intermédiaires.
Les composés de deux éléments situés aux extrémités opposées de périodes identiques ou différentes du système périodique forment principalement des liaisons ioniques. À mesure que les éléments se rapprochent au cours d’une période donnée, la nature ionique de leurs composés diminue et le caractère covalent augmente. Par exemple, les halogénures et oxydes des éléments du côté gauche du tableau périodique forment des liaisons principalement ioniques ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), et les mêmes composés d'éléments du côté droit du tableau sont covalents ( H 2 O, CO 2, NH 3, NO 2, CH 4, phénol C6H5OH, glucose C6H12O6, éthanol C 2 H 5 OH).
La liaison covalente, quant à elle, présente une modification supplémentaire.
Dans les ions polyatomiques et dans les molécules biologiques complexes, les deux électrons ne peuvent provenir que de un atome. Ça s'appelle donneur paire d'électrons. Un atome qui partage cette paire d'électrons avec un donneur s'appelle accepteur paire d'électrons. Ce type de liaison covalente est appelé coordination (donateur-accepteur), oudatif) communication(Fig.5). Ce type de liaison est particulièrement important en biologie et en médecine, car la chimie des éléments D les plus importants pour le métabolisme est largement décrite par des liaisons de coordination.
Figue. 5.
En règle générale, dans un composé complexe, l'atome métallique agit comme accepteur d'une paire d'électrons ; au contraire, dans les liaisons ioniques et covalentes, l’atome métallique est donneur d’électrons.
L'essence de la liaison covalente et sa variété - la liaison de coordination - peuvent être clarifiées à l'aide d'une autre théorie des acides et des bases proposée par GN. Louis. Il a quelque peu élargi le concept sémantique des termes « acide » et « base » selon la théorie de Brønsted-Lowry. La théorie de Lewis explique la nature de la formation d'ions complexes et la participation des substances aux réactions de substitution nucléophile, c'est-à-dire à la formation du CS.
Selon Lewis, un acide est une substance capable de former une liaison covalente en acceptant une paire d'électrons d'une base. Une base de Lewis est une substance qui possède une seule paire d'électrons qui, en donnant des électrons, forme une liaison covalente avec l'acide de Lewis.
Autrement dit, la théorie de Lewis étend également la gamme des réactions acido-basiques aux réactions auxquelles les protons ne participent pas du tout. De plus, le proton lui-même, selon cette théorie, est aussi un acide, puisqu'il est capable d'accepter une paire d'électrons.
Par conséquent, selon cette théorie, les cations sont des acides de Lewis et les anions sont des bases de Lewis. Un exemple serait les réactions suivantes :
Il a été noté ci-dessus que la division des substances en ioniques et covalentes est relative, puisque le transfert complet d'électrons des atomes métalliques aux atomes accepteurs ne se produit pas dans les molécules covalentes. Dans les composés avec des liaisons ioniques, chaque ion se trouve dans le champ électrique d'ions de signe opposé, ils sont donc mutuellement polarisés et leurs coquilles sont déformées.
Polarisabilité déterminé par la structure électronique, la charge et la taille de l'ion ; pour les anions, elle est plus élevée que pour les cations. La polarisabilité la plus élevée parmi les cations concerne les cations de charge plus élevée et de plus petite taille, par exemple Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Al 3+, Tl 3+. A un fort effet polarisant N+ . L’influence de la polarisation des ions étant bidirectionnelle, elle modifie considérablement les propriétés des composés qu’ils forment.
Le troisième type de connexion estdipôle-dipôle connexion
En plus des types de communication répertoriés, il existe également des dipôles-dipôles intermoléculaire interactions, également appelées van der Waals .
La force de ces interactions dépend de la nature des molécules.
Il existe trois types d'interactions : dipôle permanent - dipôle permanent ( dipôle-dipôle attirance); dipôle permanent - dipôle induit ( induction attirance); dipôle instantané - dipôle induit ( dispersif l'attraction, ou les forces de Londres ; riz. 6).
Riz. 6.
Seules les molécules ayant des liaisons covalentes polaires ont un moment dipolaire-dipôle ( HCl, NH 3, SO 2, H 2 O, C 6 H 5 Cl), et la force de liaison est de 1-2 Débaya(1D = 3,338 × 10‑30 mètres coulombs - C × m).
En biochimie, il existe un autre type de connexion - hydrogène connexion, ce qui est un cas limite dipôle-dipôle attirance. Cette liaison est formée par l'attraction entre un atome d'hydrogène et un petit atome électronégatif, le plus souvent l'oxygène, le fluor et l'azote. Avec de gros atomes ayant une électronégativité similaire (comme le chlore et le soufre), la liaison hydrogène est beaucoup plus faible. L'atome d'hydrogène se distingue par une caractéristique importante : lorsque les électrons de liaison sont éloignés, son noyau - le proton - est exposé et n'est plus protégé par les électrons.
L’atome se transforme donc en un grand dipôle.
Une liaison hydrogène, contrairement à une liaison de Van der Waals, se forme non seulement lors d'interactions intermoléculaires, mais également au sein d'une molécule - intramoléculaire liaison hydrogène. Les liaisons hydrogène jouent un rôle important en biochimie, par exemple pour stabiliser la structure des protéines sous la forme d'une hélice a ou pour la formation d'une double hélice d'ADN (Fig. 7).
Figure 7.
Les liaisons hydrogène et van der Waals sont beaucoup plus faibles que les liaisons ioniques, covalentes et de coordination. L'énergie des liaisons intermoléculaires est indiquée dans le tableau. 1.
Tableau 1.Énergie des forces intermoléculaires
Note: Le degré d'interactions intermoléculaires se reflète dans l'enthalpie de fusion et d'évaporation (ébullition). Les composés ioniques nécessitent beaucoup plus d’énergie pour séparer les ions que pour séparer les molécules. L'enthalpie de fusion des composés ioniques est bien supérieure à celle des composés moléculaires.
Le quatrième type de connexion estconnexion métallique
Enfin, il existe un autre type de liaisons intermoléculaires : métal: connexion d'ions positifs d'un réseau métallique avec des électrons libres. Ce type de connexion ne se produit pas dans les objets biologiques.
Après un bref examen des types de liaisons, un détail devient clair : un paramètre important d'un atome ou d'un ion métallique - un donneur d'électrons, ainsi que d'un atome - un accepteur d'électrons, est son taille.
Sans entrer dans les détails, notons que les rayons covalents des atomes, les rayons ioniques des métaux et les rayons de van der Waals des molécules en interaction augmentent à mesure que leur numéro atomique augmente dans les groupes du système périodique. Dans ce cas, les valeurs des rayons ioniques sont les plus petites et les rayons de Van der Waals sont les plus grands. En règle générale, lorsque l'on descend dans le groupe, les rayons de tous les éléments, covalents et de van der Waals, augmentent.
La plus grande importance pour les biologistes et les médecins est coordination(donneur-accepteur) liaisons considérées par la chimie de coordination.
Bioorganiques médicaux. G.K. Barachkov
Comme déjà indiqué au paragraphe 4.2.2.1, connexion métallique- liaison électronique de noyaux atomiques avec localisation minimale des électrons partagés à la fois sur des noyaux individuels (par opposition à une liaison ionique) et sur des liaisons individuelles (par opposition à une liaison covalente). Le résultat est une liaison chimique multicentrique déficiente en électrons dans laquelle des électrons partagés (sous forme de « gaz électronique ») assurent la liaison avec le nombre maximum possible de noyaux (cations) qui forment la structure des substances métalliques liquides ou solides. Par conséquent, la liaison métallique dans son ensemble est non directionnelle et saturée ; cas limite de délocalisation d'une liaison covalente. Rappelons que dans les métaux purs la liaison métallique apparaît principalement homonucléaire, c'est-à-dire ne peut pas avoir de composant ionique. En conséquence, une image typique de la distribution de la densité électronique dans les métaux est constituée de noyaux à symétrie sphérique (cations) dans un gaz électronique uniformément distribué (Fig. 5.10).
Par conséquent, la structure finale des composés avec une liaison de type majoritairement métallique est déterminée principalement par le facteur stérique et la densité de tassement dans le réseau cristallin de ces cations (CN élevé). La méthode BC ne peut pas interpréter les liaisons métalliques. Selon MMO, une liaison métallique se caractérise par un déficit en électrons par rapport à une liaison covalente. L'application stricte du MMO aux liaisons et connexions métalliques conduit à théorie des bandes(modèle électronique d'un métal), selon lequel dans les atomes inclus dans le réseau cristallin d'un métal, il y a une interaction d'électrons de valence presque libres situés sur des orbites électroniques externes avec le champ périodique (électrique) du réseau cristallin. En conséquence, les niveaux d’énergie des électrons se divisent et forment une bande plus ou moins large. Selon les statistiques de Fermi, la bande d'énergie la plus élevée est peuplée d'électrons libres jusqu'à son remplissage complet, surtout si les termes énergétiques d'un atome individuel correspondent à deux électrons avec des spins antiparallèles. Cependant, il peut être partiellement rempli, ce qui permet aux électrons de se déplacer vers des niveaux d'énergie plus élevés. Alors
cette zone est appelée zone de conduction. Il existe plusieurs types de base d'agencement relatif des bandes d'énergie, correspondant à un isolant, un métal monovalent, un métal divalent, un semi-conducteur à conductivité intrinsèque, un semi-conducteur de type a et un semi-conducteur à impuretés/type b. Le rapport des bandes d'énergie détermine également le type de conductivité d'un solide.
Cependant, cette théorie ne permet pas de caractériser quantitativement divers composés métalliques et n'a pas permis de résoudre le problème de l'origine des structures cristallines réelles des phases métalliques. La nature spécifique des liaisons chimiques dans les métaux homonucléaires, les alliages métalliques et les hétérocomposés intermétalliques est prise en compte par N.V. Ageev)
