Аналогично, нулевой дипольный момент имеют тетраэдрические молекулы CH4 и CBr4. Однако, нарушение симметрии, например в молекуле BF2Cl, обусловливает дипольный момент, отличный от нуля.
Предельным случаем ковалентной полярной связи является ионная связь. Она образуется атомами, электроотрицательности * которых значительно различаются. При образовании ионной связи происходит почти полный переход связующей электронной пары к одному из атомов, и образуются положительный и отрицательный ионы, удерживаемые вблизи друг друга электростатическими силами. Поскольку электростатическое притяжение к данному иону действует на любые ионы противоположного знака независимо от направления, ионная связь, в отличие от ковалентной, характеризуется ненаправленностью и ненасыщаемостью. Молекулы с наиболее выраженной ионной связью образуются из атомов типичных металлов и типичных неметаллов (NaCl, CsF и т.п.), т.е. когда различие в электроотрицательности атомов велико.
3.2.6 Водородная связь
Некоторые соединения водорода с сильно электроотрицательными * неметаллами имеют аномально высокие температуры кипения:
|
tкип, °С |
tкип, °С |
|||
|
H2O |
+100 |
HF |
+19 |
|
|
H2S |
–60 |
HCl |
–84 |
|
|
H2Se |
–41 |
HBr |
–67 |
|
|
H2Te |
–2 |
HI |
–35 |
Температуры кипения воды и фтористого водорода, выпадающие из общей закономерности в приведенных рядах соединений, свидетельствуют о наличии специфического взаимодействия между молекулами. Связи в H2O и HF сильно полярны *. Вследствие кулоновского взаимодействия[40] происходит притяжение противоположно заряженных концов молекул, и возникает межмолекулярная водородная связь:
Энергия такой связи составляет 20–30 кДж/моль, что на порядок меньше энергии ковалентной связи *. Тем не менее, водородная связь обусловливает существование в газовой фазе димерных молекул воды и фтористого водорода.
4 РАСТВОРЫ
4.1 КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРОВ. РАСТВОРИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ
Дисперсными системами называются системы, состоящие из некоторого вещества, в котором в очень мелком виде распределено другое вещество. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а вещество, в котором распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Если частицы дисперсной фазы имеют размер порядка размеров молекул (<10–8 м), то дисперсную систему[41] называют раствором (истинным раствором).
Простейшие составные части раствора, которые могут быть выделены в чистом виде, называются компонентами раствора. Обычно компонент, находящийся в избытке, считают растворителем, а остальные – растворенными веществами. Если один из компонентов – вода, то ее обычно принимают за растворитель.
Концентрация – величина, выражающая относительное содержание данного компонента в растворе. Существуют следующие основные способы выражения концентрации растворов.
Массовая доля – величина, показывающая, какую долю от массы раствора составляет масса растворенного вещества:
или в процентах: 
Молярная концентрация (молярность) – величина, показывающая, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:
(моль/л),
где νв-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль; Vр-ра – объем раствора, л.
Нормальная концентрация (нормальность, эквивалентная концентрация) – величина, показывающая, сколько эквивалентов растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:
(экв/л),
где nв-ва – количество растворенного вещества в растворе, экв; Vр-ра – объем раствора, л.
Довольно часто химический эквивалент трактуется не как единица количества вещества, а как условная частица. Тогда nв-ва необходимо воспринимать как количество молей эквивалента.
Моляльная концентрация (моляльность) – величина, показывающая, сколько молей растворенного вещества в растворе приходится на 1 кг растворителя:
(моль/кг)
где νв-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль; mр-ля – масса растворителя в растворе, кг.
Титр – величина, показывающая, какая масса растворенного вещества содержится в 1 мл раствора:
(г/мл)
где mв-ва – масса растворенного вещества в растворе, г; Vр-ра – объем раствора, мл.
Мольная доля вещества в растворе представляет собой отношение числа молей этого вещества к суммарному количеству молей всех компонентов раствора:
,
где νв-ва – число молей компонента, для которого определяется мольная доля; n – количество компонентов раствора.
Растворимость – способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Она характеризуется концентрацией насыщенного раствора. Растворимость часто выражают количеством граммов растворяемого вещества в 100 г растворителя. Если раствор содержит растворенного вещества больше, чем это соответствует растворимости при данной температуре, то он называется пересыщенным. Возможность существования пересыщенного раствора объясняется трудностью возникновения центров кристаллизации. В случае растворения твердых или жидких веществ в жидкостях растворимость возрастает с повышением температуры, а для газов – убывает. На растворимость газов большое влияние оказывает давление.
4.2 ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ РАСТВОРЕНИЕ
Как правило, процессы растворения сопровождаются изменением объема и температуры. Например, при смешении равных объемов этилового спирта и воды объем смеси меньше суммы объемов компонентов (это явление называется контракцией).
Количество тепла, поглощаемого или выделяемого при растворении 1 моля вещества, называется теплотой растворения (ΔHs). При растворении твердого вещества происходит разрушение кристаллической решетки. На это требуется затрата энергии. Однако многие процессы растворения протекают с выделением тепла[42] (ΔHs<0). Поэтому можно предположить, что наряду с разрушением кристаллической решетки протекает экзотермический процесс. Было показано, что этим процессом является сольватация, т.е. соединение молекул растворенного вещества в неустойчивые соединения – сольваты. Когда растворителем является вода, то эти соединения называются гидратами, а процесс – гидратацией. Поскольку молекула воды очень полярна *, то многие гидраты весьма устойчивы и могут быть выделены в кристаллическом состоянии (кристаллогидраты) – например, CuSO4·5H2O – медный купорос, Na2CO3·10H2O – кристаллическая сода, Na2S2O3·5H2O – гипосульфит, и др.
40
Кроме кулоновского (электростатического) взаимодействия, при более строгом рассмотрении необходимо учитывать также орбитальное взаимодействие молекул при образовании водородной связи.
41
Различные типы дисперсных систем являются предметом изучения в Коллоидной химии - одном из важнейших разделов химической науки.