Строение: как расположены атомы
Атомы соединяются, делясь электронами или передавая их. В молекуле каждый атом старается держать электронные пары (связи и неподелённые пары) как можно дальше друг от друга, потому что электронные пары отталкиваются. Эта простая идея (её называют теорией ОЭПВО) даёт форму молекулы.
Частые формы
- Линейная: CO2 (180 градусов).
- Угловая (изогнутая): H2O (около 104,5 градуса), потому что две неподелённые пары сближают связи.
- Пирамидальная: NH3 (около 107 градусов), одна неподелённая пара.
- Тетраэдрическая: CH4 (109,5 градуса), четыре связи, неподелённых пар нет.
Более крупные структуры подчиняются тем же идеям: алмаз — это одна гигантская сетка атомов углерода, кристалл соли — повторяющаяся решётка ионов.
Свойства: что решают форма и заряд
Некоторые атомы сильнее тянут общие электроны; это притяжение называют электроотрицательностью. Если притяжения внутри молекулы не гасят друг друга, один конец становится слегка отрицательным, а другой слегка положительным. Такая молекула полярна. Если притяжения гасятся, как в прямой CO2 или тетраэдрической CH4, молекула неполярна.
Что это меняет
- Полярные молекулы сильнее притягиваются друг к другу, поэтому вода кипит при 100 °C, а метан примерно при −162 °C.
- Подобное растворяется в подобном: соль и сахар растворяются в воде, масло — нет.
- Гигантские решётки (алмаз, кремнезём) очень твёрдые и плавятся при очень высоких температурах; металлы проводят ток, потому что электроны в них свободно движутся.
Энергия: энергия активации, тепло и катализаторы
Чтобы реакция началась, старые связи должны сначала ослабнуть. Для этого нужен минимальный толчок — энергия активации (Ea). Представь шарик, которому надо подняться на горку, прежде чем он скатится вниз.
Тепловой эффект реакции
Если энергия продуктов ниже, чем у реагентов, тепло выделяется (экзотермическая реакция, ΔH отрицательно). Если выше, тепло поглощается (эндотермическая, ΔH положительно). ΔH не зависит от высоты горки.
Катализаторы
Катализатор даёт реакции более лёгкий путь с более низкой горкой. Реакция идёт быстрее, но начальная и конечная энергии, а значит и ΔH, не меняются. Катализатор не расходуется.
Равновесие: когда реакция кажется остановившейся
Многие реакции обратимы: A ⇄ B. В начале идёт только прямая реакция. По мере накопления B обратная реакция ускоряется. При равновесии скорости двух реакций равны, поэтому количества A и B не меняются. Ничего не остановилось: обе реакции продолжаются (равновесие динамическое).
Константа равновесия
Для A ⇄ B: K = [B] / [A]. Большое K означает, что в основном продукты; малое K — что в основном реагенты. K меняется только с температурой.
Идея Ле Шателье
Если нарушить систему в равновесии (добавить больше A, изменить давление или температуру), она смещается так, чтобы уменьшить это воздействие. Катализатор равновесие не смещает; он лишь помогает прийти к нему быстрее.
Попробуй сам: увидеть полярность с помощью расчёски
Потри пластиковую расчёску о сухие волосы. Открой кран так, чтобы текла тонкая струйка воды. Поднеси расчёску к струйке: вода отклоняется к ней, потому что молекулы воды полярны. Теперь попробуй то же с тонкой струйкой растительного масла: оно почти не двигается. В 3D по очереди выбери воду и углекислый газ и сравни значения под картинкой.
Главные формулы и определения
- Bond angles: CO2 180, NH3 about 107, H2O about 104.5, CH4 109.5 (degrees)
- Экзотермическая: продукты ниже реагентов, dH < 0
- Эндотермическая: продукты выше реагентов, dH > 0
- Для A <-> B: K = [B] / [A]
- При равновесии: скорость прямой = скорость обратной
Разобранные примеры
1. Почему углекислый газ неполярен, хотя каждая связь C=O полярна?
CO2 имеет прямую форму. Два притяжения связей равны и направлены в противоположные стороны, поэтому гасят друг друга. У молекулы нет положительного или отрицательного конца.
2. В реакционной смеси при равновесии [A] = 0.2 моль/л и [B] = 0.6 моль/л для A <-> B. Найди K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. Преобладают продукты.
3. Катализатор снижает энергию активации с 80 кДж до 50 кДж. Реагенты на 20 кДж выше продуктов. Чему равно dH и каков новый барьер прямой реакции?
dH = продукты минус реагенты = -20 кДж (экзотермическая), и катализатор его не меняет. Новый барьер — 50 кДж.
Частые ошибки
- Думать, что катализатор меняет количество продукта при равновесии. Он меняет только то, как быстро равновесие достигается.
- Говорить, что реакция при равновесии останавливается. Прямая и обратная реакции продолжаются с равными скоростями.
- Думать, что полярные связи всегда делают молекулу полярной. Форма может погасить притяжения (CO2).
- Путать энергию активации и dH. Первая — это высота горки, вторая — разница между началом и концом.