4. Межмолекулярное взаимодействие: вандерваальсовы силы и водородная химическая связь. Аномальные свойства воды и их объяснение с позиции ее строения.

Одним из видов межмолекулярных взаимодействий, которые обуславливают притяжение молекул друг к другу в твердом и жидком состояниях, является водородная связь.

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно ЭО элементов, имеющих неподеленные электронные пары другой молекулы (или ее части), называют водородной. Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер. При наличии такой химической связи даже низкомолекулярные вещества могут быть при обычных условиях жидкостями (этиловый спирт, вода) или легко сжимающимися газами (аммиак, фтороводород). Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.

Помимо водородной связи существуют другие силы межмолекулярного взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса (в честь голландского физика). В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей, но в различных веществах механизм возникновения диполей различен.

Ван-дер-ваальсовы силы не достаточны для образования молекул, но способствуют образованию жидкостей и кристаллов при низких температурах. Они имеются в веществах с атомными, ионными и металлическими кристаллическими решетками, но в этих случаях их вклад в общую энергию связи несущественен.

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н₂О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар или сравнительно высокая удельная теплота испарения воды . В первую очередь структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическими особенностями взаимодействия протона с атомами. Однако наличие водородной связи у воды — это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды, как целостной системы. Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе -наблюдается ближний порядок расположения молекул. Было показано, что для жидкой воды характерно упорядоченное размещение молекул воды.

4. Общие понятия химической термодинамики. Первый закон термодинамики. Энтальпия и закон Гесса. Расчет тепловых эффектов химической реакции.

Химическая термодинамика устанавливает взаимосвязь между различными видами энергии, изучает возможность, направление и пределы протекания химических и фазовых превращений в зависимости от конкретных внешних условий. Термодинамика изучает только самопроизвольные процессы, которые раз начавшись в дальнейшем протекают без воздействия внешних сил.

Под термодинамической системой понимают любое тело или группу тел, находящихся во взаимодействии друг с другом, и выделяемые из окружающей среды мнимой или физически наблюдаемой границей. Классическим примером термодинамической системы является газ в закрытом цилиндре. Физические величины, которые характеризуют состояние системы (температура T , давление P , объём V ) называются термодинамическими параметрами состояния. Изменение любого из этих параметров носит название термодинамического процесса. Существует несколько типов процессов:

1. V = const, изохорный процесс.

2. P = const, изобарный процесс.

3. T = const, изотермический процесс.

Взаимодействие системы и окружающей среды рассматривается только с точки зрения обмена веществом или энергией. По этому признаку системы подразделяются:

на изолированные – нет обмена с окружающей средой ни веществом, ни энергией;

на открытые – обмениваются со средой и веществом и энергией;

на закрытые – обмен со средой происходит только в форме энергии. Каждое вещество обладает определённым запасом энергии. Эта энергия слагается из энергии межмолекулярного взаимодействия, из кинетической энергии движения его молекул (поступательной и вращательной), энергии связи атомов в молекулах, энергии движения электронов и ядер атомов и т.д. Эти виды энергии составляют внутреннюю энергию системы U. Ясно, что рассчитать её величину не представляется возможным. Однако экспериментальным путём удаётся определить её изменение (∆U) при переходе системы из одного состояния в другое. Q=∆U±A

Это есть аналитическое выражение первого закона термодинамики.

В основе термохимических расчётов лежит закон, сформулированный петербургским профессором Г.И. Гессом в 1840 году: тепловой эффект реакции не зависит от пути, по которому оно совершается, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

Стандартная энтальпия образования ∆H⁰_обр - тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, устойчивых в стандартных условиях. Энтальпия образования простых веществ принята равной нулю.

Наиболее важное из 5 следствие из закона Гесса: Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учётом их стехиометрических коэффициентов.