Из каких атомов состоит молекула углекислого. Молярная масса углекислого газа. Графики сравнения потенциалов и сил

Познакомимся теперь вкратце с устройством молекул, т. е. частиц, в которых объединено несколько атомов. В основном существуют два способа образования молекул из атомов.

Первый из этих способов основан на возникновении из нейтрального атома электрически заряженной частицы. Мы уже указывали выше, что атом является нейтральным, т. е. число положительных зарядов в его ядре (число протонов) уравновешивается числом отрицательных зарядов, т. е. числом вращающихся вокруг ядра электронов.

Если по каким-либо причинам атом теряет один или несколько электронов, то в его ядре оказывается некоторый избыток положительных зарядов, не уравновешенных отрицательно заряженными электронами, и такой атом становится положительно заряженной частицей.

Такие электрически заряженные частицы называются ионами. Они и способствуют образованию молекул из атомов.

Изучение свойств различных химических элементов показывает, что во всех случаях являются наиболее устойчивыми те из них, у которых внешняя электронная орбита заполнена целиком, либо содержит наиболее устойчивое число электронов - 8.

Это блестяще подтверждает таблица Менделеева, где в нулевой группе расположены наиболее инертные (т. е. устойчивые и не вступающие в химические реакции с другими веществами) элементы.

Это, во-первых, гелий, который имеет одну орбиту, заполненную двумя электронами, и газы неон, аргон, криптон, ксенон и радон, которые имеют во внешней орбите восемь электронов.

Наоборот, если внешняя орбита атомов имеет всего лишь один-два электрона, то такие атомы имеют склонность отдавать эти электроны другим атомам, у которых во внешней орбите не хватает 1-2 электрона до числа восемь. Такие атомы являются наиболее активными к взаимодействию друг с другом.

Возьмем для примера молекулу поваренной соли , называемой в химии хлористым натрием и образованной, как показывает ее название, из атомов натрия и хлора. У атома натрия на внешней орбите имеется один электрон, а у атома хлора - семь электронов.

Если эти два атома приблизятся друг к другу, то один электрон натрия, находящийся на внешней орбите и слабо «привязанный» к своему атому, может оторваться от него и перейти к атому хлора, у которого во внешней орбите он будет восьмым электроном (рис. 4,а).

В результате такого перехода образуются два иона: положительный ион натрия и отрицательный ион хлора (рис. 4,б), притягивающиеся друг к другу и образующие молекулу хлористого натрия, которую можно представить, как два шарика, стянутые пружиной (рис. 4,в).

Второй способ образования молекул из атомов состоит в том, что при сближении двух или более атомов находящиеся у этих атомов во внешних орбитах электроны перестраиваются таким образом, что становятся связанными с двумя или несколькими атомами. Электроны же, находящиеся на внутренних орбитах, продолжают оставаться связанными только с данным атомом.

При этом опять-таки имеется стремление образовывать наиболее устойчивые орбиты из восьми электронов.

Приведем несколько примеров таких молекул.

Возьмем молекулу углекислого газа, состоящую из атома углерода и двух атомов кислорода. При образовании этой молекулы происходит следующее перестраивание электронов внешних орбит этих атомов (рис 5)

Атом углерода оставляет связанным со своим ядром два электрона на внутренней орбите, а четыре электрона, находящиеся на его внешней орбите, распределяются по два электрона на каждый атом кислорода, которые в свою очередь отдают каждый по два электрона для общей связи атома углерода.

Таким образом, в каждой связи углерод-кислород участвуют взаимно две пары электронов, в результате чего каждый из трех атомов такой молекулы имеет устойчивую внешнюю орбиту, по которой вращаются восемь электронов.

Имеются, как известно, молекулы, не только образованные из различных элементов, но и из одинаковых атомов.

Образование таких молекул также объясняется стремлением к наиболее устойчивому восьмерному числу электронов во внешней орбите.

Так, например, атому кислорода, имеющему два электрона во внутренней орбите и шесть электронов в наружной орбите, не хватает двух электронов для образования восьмерного окружения.

Поэтому эти атомы соединяются по два, образуя молекулу кислорода О 2 , в которой по два электрона от каждого атома обобщаются, после чего вокруг них во внешней орбите будет вращаться по восемь электронов.

При образовании молекул по второму способу, когда происходит обмен электронами между атомами, центрам атомов требуется сблизиться более, чем по первому способу, когда происходит только взаимное притяжение противоположно заряженных ионов.

Поэтому, если в первом способе можно себе представить такую молекулу в виде двух соприкасающихся шаров-ионов (рис. 4,в), не меняющих свои размеры и форму, то при втором способе шарообразные атомы как бы сплющиваются.

Современные методы исследования строения веществ позволяют не только знать, из каких атомов состоят различные молекулы, но также как располагаются атомы в молекулах, т. е. структуру этих молекул вплоть до расстояний между ядрами атомов, входящих в состав молекул.

На рис. 6 показаны структуры молекул кислорода и углекислого газа, а также расположение ядер атомов в этих молекулах с указанием межъядерных расстояний в ангстремах.

Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, имеет форму двух спрессованных шаров с расстоянием между ядрами атомов 1,20А. Молекула углекислого газа, состоящая из трех атомов, имеет прямолинейную форму с атомом углерода в середине и расположенных по обе стороны от него по прямой линии двух атомов кислорода с межъядерными расстояниями 1,15 А.

Рис. 6. Структуры молекул: а - расположение атомов; б - расположение ядер атомов; 1 - молекула кислорода О 2 ; 2 - молекула углекислого газа СО 2 .

Но если так отличаются молекулы из одних и тех же атомов, какое же разнообразие должно быть среди молекул из разных атомов! Давай-ка снова поищем в воздухе — может быть, мы найдём там и такие молекулы? Конечно, найдём!
Знаешь, какие молекулы ты выдыхаешь в воздух? (Разумеется, не только ты — все люди и все животные.) Молекулы твоего старого знакомого — углекислого газа! Пузырьки углекислого газа приятно пощипывают язык, когда ты пьёшь газированную воду или лисонад. Кусочки сухого льда, которые кладут в ящики с мороженым, тоже состоят из таких молекул; ведь сухой лёд — это твёрдая углекислота.
В молекуле углекислого газа два атома кислорода присоединились с разных сторон к одному атому углерода. «Углерод» — значит «тот, кто родит уголь». Но углерод рождает не только уголь. Когда ты рисуешь простым карандашом, на бумаге остаются маленькие чешуйки графита — они тоже состоят из атомов углерода. Из них же «сделаны» алмаз и обыкновенная сажа. Снова одни и те же атомы — и совершенно непохожие вещества!
Когда же атомы углерода соединяются не только между собой, но и с «чужими» атомами, тогда рождается столько разных веществ, что их и сосчитать трудно! Особенно много веществ рождается, когда атомы углерода соединяются с атомами самого лёгкого на свете газа — водородаю Все эти вещества называют общим именем — углеводороды, но у каждого углеводорода есть и своё собственное имя.
О простейшем из углеводородов говорится в известных тебе стихах: «А у нас в квартире газ — это раз!» Имя газа, который горит на кухне, — метан. В молекуле метана один атом углерода и четыре атома водорода. В пламени кухонной горелки молекулы метана разрушаются, атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода, и получается уже знакомая тебе молекула углекислого газа. Атомы водорода тоже соединяются с атомами кислорода, и в результате получаются молекулы самого важного и нужного на свете вещества!
Молекулы этого вещества тоже есть в воздухе — их там полным-полно. Между прочим, в какой-то степени и ты к этому причастен, потому что выдыхаешь в воздух эти молекулы вместе с молекулами углекислого газа. Что же это за вещество? Если не догадался, подыши на холодное стекло, и вот оно перед тобой — вода!

Интересности:
Молекула вот такая малюсенькая, что если бы мы выстроили друг за другом сто миллионов молекул воды, то вся эта шеренга запросто поместилась между двух соседних линеек в твоей тетрадке. Но учёным всё-таки удалось узнать, как выглядит молекула воды. Вот её портрет. Правда, она похожа на голову медвежонка Винни-Пуха! Вон как ушки навострила! Конечно, никакие это не ушки, а два атома водорода, присоединившиеся к «голове» — атому кислорода. Но шутки шутками, а действительно — не имеют ли эти «ушки на макушке» какого-нибудь отношения к необыкновенным свойствам воды?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (оксид углерода (IV), диоксид углерода, двуокись углерода) в обычных условиях представляет собой бесцветный газ, тяжелее воздуха, термически устойчивый, а при сжатии и охлаждении легко переходящий в жидкое и твердое («сухой лед») состояния.

Он плохо растворяется в воде, частично реагируя с ней.

Основные константы углекислого газа приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Физические свойства и плотность углекислого газа.

Углекислый газ играет важную роль в биологических (фотосинтез), природных (парниковый эффект) и геохимических (растворение в океанах и образование карбонатов) процессах. В больших количествах он поступает в окружающую среду в результате сжигания органического топлива, гниения отходов и др.

Химический состав и строение молекулы углекислого газа

Химический состав молекулы углекислого газа выражается эмпирической формулой CO 2 . Молекула диоксида углерода (рис. 1) линейная, что соответствует минимальному отталкиванию связывающих электронных пар, длина связи С=Щ равна 0,116 нм, а её средняя энергия - 806 кДж/моль. В рамках метода валентных связей две σ-связи С-О образованы sp-гибридизованнойорбиталью атома углерода и 2p z - орбиталями атомов кислорода. Не участвующие в sp-гибридизации 2p x — и 2p y -орбитали атома углерода перекрываются с аналогичными орбиталями атомов кислорода. При этом образуются две π-орбитали, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 1. Строение молекулы углекислого газа.

Благодаря симметричному расположению атомов кислорода молекула CO 2 неполярная, поэтому диоксид мало растворим в воде (один объем CO 2 в одном объеме H 2 O при 1 атм и 15 o С). Неполярность молекулы приводит к слабым межмолекулярным взаимодействия и низкой температуре тройной точки: t = -57,2 o С и P = 5,2 атм.

Краткое описание химических свойств и плотность углекислого газа

Химически углекислый газ инертен, что обусловлено высокой энергией связей O=C=O. С сильными восстановителями при высоких температурах диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Углем он восстанавливается до угарного газа CO:

C + CO 2 = 2CO (t = 1000 o C).

Магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфре углекислого газа:

CO 2 + 2Mg = 2MgO + C.

Оксид углерода (IV) частично реагирует с водой:

CO 2 (l) + H 2 O = CO 2 ×H 2 O(l) ↔ H 2 CO 3 (l).

Проявляет кислотные свойства:

CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 2 ;

CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 ↓ + H 2 O;

CO 2 + BaCO 3 (s) + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 (l).

При нагревании до температуры свыше 2000 o С углекислый раз разлагается:

2CO 2 = 2CO + O 2 .

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	При сгорании 0,77 г органического вещества, состоящего из углерода, водорода и кислорода, образовалось 2,4 г углекислого газа и 0,7 г воды. Плотность паров вещества по кислороду равна 1,34. Определите молекулярную формулу вещества.
Решение	m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C); m(C) = ×12 = 0,65 г; m(H) = 2×0,7 / 18 ×1= 0,08 г. m(O) = m(C x H y O z) - m(C) - m(H) = 0,77 - 0,65- 0,08 = 0,04 г. x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O); x:y:z = 0,65/12:0,08/1: 0,04/16; x:y:z = 0,054: 0,08: 0,0025 = 22: 32: 1. Значит простейшая формула соединения C 22 H 32 O, а его молярная масса равна 46 г/моль . Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по кислороду: M substance = M(O 2) × D(O 2) ; M substance = 32 × 1,34 = 43 г/моль. M substance / M(C 22 H 32 O) = 43 / 312 = 0,13. Значит все коэффициенты в формуле необходимо умножить на 0,13. Значит молекулярная формула вещества будет иметь вид C 3 H 4 O.
Ответ	Молекулярная формула вещества C 3 H 4 O

ПРИМЕР 2

Задание	При сжигании органического вещества массой 10,5 г получили 16,8 л углекислого газ (н.у.) и 13,5 г воды. Плотность паров вещества по воздуху равна 2,9. Выведите молекулярную формулу вещества.
Решение	Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно: C x H y O z + O z →CO 2 + H 2 O. Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м. m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×M(H); Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H 2 O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. m(C) = ×12 = 9 г; m(H) = 2×13,5 / 18 ×1= 1,5 г. m(O) = m(C x H y O z) - m(C) - m(H) = 10,5 - 9 - 1,5 = 0 г. Определим химическую формулу соединения: x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H); x:y = 9/12: 1,5/1; x:y = 0,75: 1,5 = 1: 2. Значит простейшая формула соединения CH 2 , а его молярная масса равна 14 г/моль . Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху: M substance = M(air) × D(air) ; M substance = 29 × 2,9 = 84 г/моль. Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс: M substance / M(CH 2) = 84 / 14 = 6. Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 6 раз выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C 6 H 12 .
Ответ	Молекулярная формула вещества C 6 H 12