Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 56 из 68)
АО могут взаимодействовать друг с другом по сигма-, пи- и дельта -типу. По сигма-типу комбинируются s-, pх-, d- АО. По пи-типу комбинируются только py,z- и d - АО. По дельта-типу комбинируются только некоторые d -АО орбитали. По уровню энергии молекулярные орбитали располагаются в следующем порядке в порядке возрастания энергии:
1s < *1s< 2s < *2s < 2px< 2py = 2pz< *2py = *2pz < *2pxЭлектронная структура молекулы водорода имеет вид:
H[1s1] + H[1s1]= H2[( 1s)2]
Диаграмма энергетических уровней молекулы водорода по ЛКАО МО приведена на Рис. 15.3.
Рис. 15.3. Диаграмма энергетических уровней молекулы водорода по методу
ЛКАО МО
Два электрона в молекуле Н2 занимают одну связывающую молекулярную орбиталь. Молекула Н2 стабильна, так как энергия связывающей орбитали меньше энергии орбиталей отдельных атомов. Порядок связи равен 2.
Для кислорода (два 1s-, два 2s- и четыре р-электрона) электронная структура молекулы следующая:
О[1s12s22p4]+О[1s12s22p4]= О2[KK( 2s)2( *2s)2( 2py)2( 2pz)2( 2px)2( *2py)1( *2pz)1
Буквами КК обозначаются заполненные уровни ( 1s)2 и ( *1s)2. В молекуле имеются два неспаренных электрона, что обуславливает ее парамагнитные свойства. На Рис. 15.4. диаграмма энергетических уровней молекулы кислорода по методу ЛКАО МОРис. 15.4. Диаграмма энергетических уровней молекулы кислорода по методу
ЛКАО МО
В молекуле O2 два электрона с параллельными спинами оказались на двух 
*-разрыхляющих молекулярных орбиталях с одинаковой энергией. Именно наличием этих неспаренных электронов и обусловлены парамагнитные свойства молекулыкислорода, которые обнаруживаются, если охладить кислород до жидкого состояния.
Методы ВС и МО взаимно дополняют друг друга и объясняют свойства различных молекул. Они служат квантовомеханическим обоснованием теории химической связи А.М.Бутлерова, согласно которой свойства химических соединений определяются природой, количеством и взаимных расположением атомов.
15.8. Вопросы и задания
1. Как образуется химическая связь? Что такое валентность в современном понимании?
2. Что такое «электроотрицательность»?
3. Как кислотность оксидов связана со степенью окисления?
4. Укажите молекулу с самой прочной химической связью: H2S, H2Te, H2O, H2Se и тип связи.
5. В каком из приведенных соединений химическая связь будет больше всего близка к ковалентной? LiF; BeF2; BF3; CF4
6. Что такое сигма-, пи- и дельта-связь?
7. Что такое гибридизация? Какие типы гибридизации вы знаете, Какова связь между видом гибридизации и пространственным строением молекулы?
8. Опишите методом молекулярных орбиталей молекулы Н2, N2, O2.
9. Определите заряд комплексного иона, степень окисления и координационное число комплексообразователя в соединениях:
[Cu(NH3)4]SO4; К2[HtCl6]; K[Ag(CN)2]. Напишите уравнения диссоциации этих соединений в водных растворах. Назовите эти соединения.
10. Как на основе принципа комплементарности объяснить репликацию молекулы ДНК?
Лекция 16. Химическая идентификация
Управление химическим производством, а также любая научноисследовательская работа по химии или химической технологии невозможны без химико-аналитического контроля, то есть без знаний о качественном и количественном составе химических систем. Раздел химии, занимающийся химической идентификацией, называется аналитической химией, или аналитикой.
Аналитическая химия изучает методы исследования химического состава вещества или смеси веществ. В зависимости от того, требуется ли только обнаружить элемент или его соединение или же нужно определить его количественное содержание, различают качественный и количественный анализ.
16.1. Качественный анализ
Обнаружение или, как говорят аналитики, открытие элементов или ионов, входящих в состав исследуемого вещества, составляет предмет качественного анализа. Открытие элементов или ионов осуществляется обычно путем перевода их в соединения, обладающие какими-либо характерными особенностями. Происходящее при этом химическое превращение называют аналитической реакцией, а вещество, вызывающее такое превращение – реактивом, или реагентом.
В зависимости от того, какими количествами вещества оперируют при выполнении аналитических реакций, различают макро-, микро- и полумикрометоды качественного анализа. При макроанализе исследуют сравнительно большие количества вещества, обычно около 1 г, при растворении вещества доводят объем раствора до 20-30 мл. Реакции выполняют в пробирках, поэтому часто этот метод называют «пробирочным анализом».
При микроанализе имеют дело обычно с количествами вещества, примерно в 100 раз меньшими, то есть с несколькими миллиграммами твердого вещества или с несколькими десятками миллилитров раствора. При этом пользуются высокочувствительными реакциями, позволяющими обнаружить компоненты, присутствующим в анализируемом веществе в очень малых количествах. Реакции при микроанализе чаще всего выполняют либо микрокристаллоскопическим, либо капельным методом. При микрокристаллоскопическом методе реакции выполняют на предметном стекле и судят о присутствии элемента по характерной форме образующихся кристаллов, которые рассматривают под микроскопом. При капельном анализе на фильтровальную бумагу наносят в определенной последовательности капли исследуемого раствора и реактивов. В результате на бумаге получается окрашенное пятно, по цвету которого и судят о наличии в растворе открываемого элемента или иона. Полумикроанализ занимает промежуточное положение между макро- и микроанализом. Количество исследуемого вещества в этом случае приблизительно равно 50 мг твердого вещества или 1 мл раствора.
Качественный анализ начинают с так называемых предварительных проб. Для предварительных испытаний употребляют реакции, проводимые сухим путем. При этом исследуемое вещество и соответствующие реактивы берут в твердом виде и нагревают их до высокой температуры. При нагревании анализируемого вещества из него могут выделяться газы, по запаху которых можно сделать предварительные выводы о составе анализируемой пробы.
Окраска пламени горелки при внесении в него анализируемого вещества (так называемые реакции окрашивания пламени) указывает на наличие в пробе таких элементов, как литий (красный цвет пламени), натрий (желтый), калий (фиолетовый) или медь (зеленый). К реакциям сухим путем относятся также образование окрашенных перлов (стекол) буры Na4B4O7∙10H2O или сплавление исследуемого твердого вещества с теми или иными плавнями, например, со смесями твердых карбонатов натрия и калия. К реакциям сухим путем относится и метод растирания исследуемого вещества с теми или иными твердыми реактивами. Так, например, можно обнаружить присутствие солей уксусной кислоты по запаху уксуса, выделяющегося при растирании небольшого количества соли в фарфоровой или агатовой ступке.
Главную же роль в качественном анализе играют реакции, выполняемые мокрым путем, то есть реакции, происходящие между растворенными веществами. Для выполнения этих реакций вещество должно быть предварительно растворено в воде или в другом растворителе (например, в кислоте), если оно не растворяется в воде. В качественном анализе применяются только те реакции, которые сопровождаются внешним эффектом, то есть характерным изменением свойств, которое легко обнаружить. К таким изменениям относятся:
Выпадение (или растворение) осадка 
Изменение окраски раствора Выделение газаВнешний эффект, имеющий место при аналитической реакции, называется аналитическим сигналом. Особенно часто применяются реакции, которые сопровождаются образованием осадков и изменением окраски растворов. При проведении реакций мокрым путем чаще всего пользуются растворами солей, кислот или растворимых гидроксидов. Как известно, все эти вещества являются электролитами, то есть в растворе диссоциируют на ионы. Ионы представляют собой свободные, раздельно существующие в растворе противоположно заряженные частицы (катионы и анионы), которые находятся в простой смеси друг с другом. Так, например, раствор смеси таких веществ, как HCl, KCl, NaCl, CaCl2, FeCl3 является смесью катионов калий, натрия, кальция и железа (III) с хлорид-анионом. Таким образом, качественный анализ вещества или смеси веществ сводится к обнаружению (открытию) находящихся в растворе ионов. Количество наиболее важных катионов сравнительно невелико, всего около 25. Примерно столько же и наиболее известных анионов. Число же образуемых ими средних солей (не считая кислых и основных) составляет около 600. Поскольку все растворимые соли в растворе почти полностью диссоциируют на ионы, достаточно знать реакции всего лишь 50 ионов. Формулу индивидуального вещества часто можно установить уже при качественном испытании. Если, например, в исследуемом веществе были открыты только катион натрия и сульфат-анион, очевидно, что растворенное вещество представляет собой сульфат натрия. Благодаря электролитической диссоциации анализируемых веществ и реактивов химический анализ сильно облегчается. При анализе же недиссоциируюших соединений (в основном, органических) каждое вещество приходится распознавать по совокупности присущих только ему физических и химических свойств, что сильно затрудняет анализ.