Quali atomi compongono una molecola di anidride carbonica? Massa molare di anidride carbonica. Grafici di confronto di potenziali e forze

Vediamo ora brevemente la struttura delle molecole, cioè le particelle in cui sono combinati più atomi. Fondamentalmente, ci sono due modi per formare molecole dagli atomi.

Il primo di questi metodi si basa sull'emergere di una particella caricata elettricamente da un atomo neutro. Abbiamo già indicato sopra che l'atomo è neutro, cioè il numero cariche positive nel suo nucleo (il numero di protoni) è bilanciato dal numero di cariche negative, cioè il numero di elettroni che ruotano attorno al nucleo.

Se per qualche motivo un atomo perde uno o più elettroni, allora nel suo nucleo c'è un eccesso di cariche positive che non sono bilanciate da elettroni caricati negativamente e un tale atomo diventa una particella carica positivamente.

Queste particelle caricate elettricamente sono chiamate ioni. Contribuiscono alla formazione di molecole dagli atomi.

Studiare le proprietà dei vari elementi chimici mostra che in tutti i casi, i più stabili sono quelli in cui l'orbita elettronica esterna è completamente riempita o contiene il numero più stabile di elettroni - 8.

Ciò è brillantemente confermato dalla tavola periodica, dove gli elementi più inerti (cioè stabili e che non entrano in reazioni chimiche con altre sostanze) si trovano nel gruppo zero.

Questi sono, in primo luogo, l'elio, che ha un'orbita piena di due elettroni, e i gas neon, argon, krypton, xenon e radon, che hanno otto elettroni nell'orbita esterna.

Al contrario, se l'orbita esterna degli atomi ha solo uno o due elettroni, allora tali atomi hanno la tendenza a cedere questi elettroni ad altri atomi, che nell'orbita esterna mancano di 1-2 elettroni fino al numero otto. Tali atomi sono i più attivi per interagire tra loro.

Prendi per esempio molecola di sale, chiamato in chimica cloruro di sodio e formato, come indica il nome, da atomi di sodio e cloro. L'atomo di sodio ha un elettrone nella sua orbita esterna e l'atomo di cloro ha sette elettroni.

Se questi due atomi si avvicinano, un elettrone di sodio, situato nell'orbita esterna e debolmente "attaccato" al suo atomo, può staccarsi da esso e andare all'atomo di cloro, in cui sarà l'ottavo elettrone nella orbita esterna (Fig. 4,a).

Come risultato di questa transizione, si formano due ioni: uno ione sodio positivo e uno ione cloro negativo (Fig. 4b), che sono attratti l'uno dall'altro e formano una molecola di cloruro di sodio, che può essere rappresentata come due sfere unite da una molla (Fig. 4c) .

Il secondo modo per formare molecole dagli atomi è che quando due o più atomi si avvicinano, gli elettroni situati su questi atomi nelle orbite esterne vengono riorganizzati in modo tale da essere associati a due o più atomi. Gli elettroni situati nelle orbite interne continuano ad essere associati solo a questo atomo.

In questo caso, ancora una volta, c'è il desiderio di formare le orbite più stabili di otto elettroni.

Diamo alcuni esempi di tali molecole.

Prendiamo una molecola di anidride carbonica, costituita da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. Durante la formazione di questa molecola si verifica il seguente riarrangiamento degli elettroni delle orbite esterne di questi atomi (Fig. 5)

L'atomo di carbonio lascia due elettroni nella sua orbita interna legati al suo nucleo, ei quattro elettroni nella sua orbita esterna sono distribuiti da due elettroni a ciascun atomo di ossigeno, che a loro volta donano ciascuno due elettroni per il legame comune dell'atomo di carbonio.

Pertanto, due coppie di elettroni partecipano reciprocamente a ciascun legame carbonio-ossigeno, per cui ciascuno dei tre atomi di tale molecola ha un'orbita esterna stabile, lungo la quale ruotano otto elettroni.

Ci sono, come sapete, molecole non solo formate da elementi diversi, ma anche da atomi identici.

La formazione di tali molecole è anche spiegata dal desiderio del numero otto volte più stabile di elettroni nell'orbita esterna.

Quindi, per esempio, un atomo di ossigeno, che ha due elettroni nell'orbita interna e sei elettroni nell'orbita esterna, manca di due elettroni per formare un ambiente a otto dimensioni.

Pertanto, questi atomi sono collegati a coppie, formando una molecola di ossigeno O 2, in cui sono generalizzati due elettroni di ciascun atomo, dopo di che otto elettroni ruoteranno attorno a loro nell'orbita esterna.

Quando le molecole si formano secondo il secondo metodo, quando c'è uno scambio di elettroni tra atomi, i centri degli atomi devono avvicinarsi rispetto al primo metodo, quando si verifica solo l'attrazione reciproca di ioni con carica opposta.

Pertanto, se nel primo metodo si può immaginare una tale molecola sotto forma di due sfere ioniche in contatto (Fig. 4, c), che non cambiano dimensione e forma, nel secondo metodo gli atomi sferici sembrano essere appiattito.

Metodi moderni gli studi sulla struttura delle sostanze permettono non solo di sapere in cosa sono costituite le varie molecole degli atomi, ma anche come sono disposti gli atomi nelle molecole, ovvero la struttura di queste molecole fino alle distanze tra i nuclei degli atomi che compongono la molecole.

Sulla fig. La figura 6 mostra le strutture delle molecole di ossigeno e anidride carbonica, nonché la disposizione dei nuclei degli atomi in queste molecole, indicando le distanze internucleari negli angstrom.

Una molecola di ossigeno, costituita da due atomi, ha la forma di due sfere compresse con una distanza tra i nuclei degli atomi di 1,20 A. Una molecola di anidride carbonica, costituita da tre atomi, ha una forma rettilinea con un atomo di carbonio nel mezzo e due atomi di ossigeno situati su entrambi i lati in linea retta con distanze internucleari di 1,15 A.

Riso. 6. Strutture delle molecole: a - disposizione degli atomi; b - disposizione dei nuclei atomici; 1 - molecola di ossigeno O 2; 2 - una molecola di anidride carbonica CO 2.

Ma se le molecole degli stessi atomi differiscono così tanto, che varietà ci deve essere tra le molecole di atomi diversi! Guardiamo di nuovo nell'aria - forse troveremo queste molecole anche lì? Certo che lo faremo!
Sai quali molecole espiri nell'aria? (Naturalmente, non solo tu - tutte le persone e tutti gli animali.) Molecole del tuo vecchio amico - anidride carbonica! Bolle di anidride carbonica formicolano piacevolmente la lingua quando si beve acqua frizzante o limonata. Anche i pezzi di ghiaccio secco che vengono messi nelle scatole del gelato sono fatti di tali molecole; il ghiaccio secco è anidride carbonica solida.
In una molecola di anidride carbonica, due atomi di ossigeno sono attaccati da lati opposti a un atomo di carbonio. "Carbon" significa "colui che partorisce il carbone". Ma il carbonio dà vita a qualcosa di più del semplice carbone. Quando disegni con una matita semplice, sulla carta rimangono piccoli fiocchi di grafite, anch'essi costituiti da atomi di carbonio. Il diamante e la fuliggine ordinaria ne sono "fatti". Di nuovo gli stessi atomi - e sostanze completamente dissimili!
Quando gli atomi di carbonio si combinano non solo tra loro, ma anche con atomi "stranieri", allora nascono così tante sostanze diverse che è difficile contarle! Soprattutto molte sostanze nascono quando gli atomi di carbonio si combinano con gli atomi del gas più leggero del mondo: l'idrogeno Tutte queste sostanze sono chiamate con un nome comune: idrocarburi, ma ogni idrocarburo ha il suo nome.
Il più semplice degli idrocarburi è parlato nei versi che conosci: "Ma abbiamo il gas nel nostro appartamento - eccolo!" Il nome del gas che brucia in cucina è metano. La molecola del metano ha un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno. Nella fiamma di un fornello da cucina, le molecole di metano vengono distrutte, un atomo di carbonio si combina con due atomi di ossigeno e si ottiene la già familiare molecola di anidride carbonica. Gli atomi di idrogeno si combinano anche con gli atomi di ossigeno e, di conseguenza, si ottengono molecole della sostanza più importante e necessaria al mondo!
Anche le molecole di questa sostanza sono nell'aria - ce ne sono molte lì. A proposito, in una certa misura anche tu sei coinvolto in questo, perché espiri queste molecole nell'aria insieme alle molecole di anidride carbonica. Cos'è questa sostanza? Se non hai indovinato, respira sul vetro freddo, ed eccolo di fronte a te: l'acqua!

Interessante:
La molecola è così piccola che se allineassimo cento milioni di molecole d'acqua una dopo l'altra, l'intera linea si adatterebbe facilmente tra due righelli adiacenti nel tuo quaderno. Ma gli scienziati sono comunque riusciti a scoprire che aspetto ha una molecola d'acqua. Ecco il suo ritratto. È vero, sembra la testa di un cucciolo di orso Winnie the Pooh! Guarda come hai teso le orecchie! Naturalmente, queste non sono orecchie, ma due atomi di idrogeno attaccati alla "testa" - l'atomo di ossigeno. Ma le battute sono battute, ma davvero - queste "orecchie in cima" hanno qualcosa a che fare con le straordinarie proprietà dell'acqua?

DEFINIZIONE

Diossido di carbonio (monossido di carbonio (IV), anidride carbonica, anidride carbonica) in condizioni normali è un gas incolore, più pesante dell'aria, termicamente stabile e, una volta compresso e raffreddato, si trasforma facilmente in uno stato liquido e solido ("ghiaccio secco").

È scarsamente solubile in acqua, reagendo parzialmente con essa.

Le principali costanti di anidride carbonica sono riportate nella tabella seguente.

Tabella 1. Proprietà fisiche e densità dell'anidride carbonica.

L'anidride carbonica svolge un ruolo importante in biologico (fotosintesi), naturale ( Effetto serra) e geochimici (dissoluzione negli oceani e formazione di carbonati). In grandi quantità entra ambiente a causa della combustione di combustibili fossili, rifiuti in decomposizione, ecc.

Composizione chimica e struttura della molecola di anidride carbonica

La composizione chimica di una molecola di anidride carbonica è espressa dalla formula empirica CO 2 . La molecola di anidride carbonica (Fig. 1) è lineare, che corrisponde alla repulsione minima delle coppie di elettroni leganti, la lunghezza del legame C=H è 0,116 nm e la sua energia media è 806 kJ/mol. Nell'ambito del metodo dei legami di valenza, due σ -Connessioni CO formato sp-orbitale ibridato dell'atomo di carbonio e 2p z - orbitali degli atomi di ossigeno. Gli orbitali 2p x e 2p y dell'atomo di carbonio che non partecipano all'ibridazione sp si sovrappongono con orbitali simili di atomi di ossigeno. In questo caso si formano due orbitali π, posti su piani reciprocamente perpendicolari.

Riso. 1. La struttura della molecola di anidride carbonica.

A causa della disposizione simmetrica degli atomi di ossigeno, la molecola di CO 2 non è polare, quindi il biossido è leggermente solubile in acqua (un volume di CO 2 in un volume di H 2 O a 1 atm e 15 o C). La non polarità della molecola porta a deboli interazioni intermolecolari e una bassa temperatura del punto triplo: t = -57,2 o C e P = 5,2 atm.

Breve descrizione delle proprietà chimiche e della densità dell'anidride carbonica

Chimicamente, l'anidride carbonica è inerte, il che è dovuto all'elevata energia dei legami O=C=O. Con forti agenti riducenti alle alte temperature, l'anidride carbonica mostra proprietà ossidanti. Con il carbone, si riduce a monossido di carbonio CO:

C + CO 2 \u003d 2CO (t \u003d 1000 o C).

Il magnesio, acceso nell'aria, continua a bruciare in un'atmosfera di anidride carbonica:

CO 2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.

Il monossido di carbonio (IV) reagisce parzialmente con l'acqua:

CO 2 (l) + H 2 O \u003d CO 2 × H 2 O (l) ↔ H 2 CO 3 (l).

Mostra proprietà acide:

CO 2 + NaOH diluito = NaHCO 2 ;

CO 2 + 2NaOH conc \u003d 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 \u003d Ba (HCO 3) 2 (l).

Se riscaldato a una temperatura superiore a 2000 o C, l'anidride carbonica si decompone:

2CO 2 \u003d 2CO + O 2.

Esempi di problem solving

ESEMPIO 1

Esercizio Alla combustione 0,77 g materia organica, costituito da carbonio, idrogeno e ossigeno, si sono formati 2,4 g di anidride carbonica e 0,7 g di acqua. La densità di vapore della sostanza in termini di ossigeno è 1,34. Determina la formula molecolare della sostanza.
Soluzione

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO2)×M(C) = ×M(C);

m(C)=×12=0,65 g;

m (H) \u003d 2 × 0,7 / 18 × 1 \u003d 0,08 g.

m(O) \u003d m (C x H y O z) - m (C) - m (H) \u003d 0,77 - 0,65 - 0,08 \u003d 0,04 g.

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.

Quindi la formula più semplice del composto C 22 H 32 O, e la sua massa molare pari a 46 g/mol.

Il valore della massa molare di una sostanza organica può essere determinato utilizzando la sua densità di ossigeno:

M sostanza = M(O 2) × D(O 2) ;

Sostanza M \u003d 32 × 1,34 \u003d 43 g / mol.

Sostanza M / M (C 22 H 32 O) \u003d 43 / 312 \u003d 0,13.

Quindi tutti i coefficienti nella formula devono essere moltiplicati per 0,13. Quindi la formula molecolare della sostanza assomiglierà a C 3 H 4 O.
Risposta Formula molecolare della sostanza C 3 H 4 O

ESEMPIO 2

Esercizio Quando si bruciava materia organica del peso di 10,5 g, si ottenevano 16,8 litri di anidride carbonica (N.O.) e 13,5 g di acqua. La densità di vapore della sostanza nell'aria è 2,9. Ricavare la formula molecolare della sostanza.
Soluzione Facciamo uno schema della reazione di combustione composto organico indicando rispettivamente il numero di atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno come "x", "y" e "z":

C x H y O z + O z → CO 2 + H 2 O.

Determiniamo le masse degli elementi che compongono questa sostanza. Valori relativi masse atomiche tratto dalla Tavola Periodica del D.I. Mendeleev, arrotondato ai numeri interi: Ar(C) = 12 a.m.u., Ar(H) = 1 a.m.u., Ar(O) = 16 a.m.u.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO2)×M(C) = ×M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×M(H);

Calcola le masse molari di anidride carbonica e acqua. Come è noto, la massa molare di una molecola è uguale alla somma delle masse atomiche relative degli atomi che compongono la molecola (M = Mr):

M(CO 2) \u003d Ar (C) + 2 × Ar (O) \u003d 12+ 2 × 16 \u003d 12 + 32 \u003d 44 g / mol;

M(H 2 O) \u003d 2 × Ar (H) + Ar (O) \u003d 2 × 1 + 16 \u003d 2 + 16 \u003d 18 g / mol.

m(C) = ×12 = 9 g;

m(H) \u003d 2 × 13,5 / 18 × 1 \u003d 1,5 g.

m(O) \u003d m (C x H y O z) - m (C) - m (H) \u003d 10,5 - 9 - 1,5 \u003d 0 g.

Definiamo formula chimica connessioni:

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.

Ciò significa che la formula più semplice del composto è CH 2 e la sua massa molare è 14 g / mol.

Il valore della massa molare di una sostanza organica può essere determinato utilizzando la sua densità in aria:

Msostanza = M(aria) × D(aria) ;

Sostanza M \u003d 29 × 2,9 \u003d 84 g / mol.

Per trovare la vera formula di un composto organico, troviamo il rapporto tra le masse molari ottenute:

Sostanza M / M (CH 2) \u003d 84 / 14 \u003d 6.

Ciò significa che gli indici degli atomi di carbonio e di idrogeno dovrebbero essere 6 volte più alti, cioè la formula della sostanza assomiglierà a C 6 H 12.
Risposta Formula molecolare della sostanza C 6 H 12