Самые простые молекулы: Простые и сложные вещества в химии. Что это такое?

Введение

Ball and Stick Molecule Building Kit

Ковалентные связи образуются, когда электроны
распределяются между атомами. Водород, например, может разделять одну пару
электронов с другим атомом, поэтому мы говорим, что он образует одну связь.
Точно так же кислород образует два, азот обычно образует три, а углерод
формирует четыре. (Вспомните правило «HONC»… H=1, O=2, N=3, C=4, но учтите, что могут образовываться нестабильные молекулы, создавая исключения.) Соотношения
атомов в различных молекулах выражаются их химическими
формулы. Например, «Н ₂ O» представляет собой воду, а
«C ₆ H ₁₂ O ₆ » представляет собой глюкозу. Однако это только часть истории. В биологии форма
молекула часто так же важна, как и ее химическая формула. Ферменты, например, нуждаются в точном трехмерном
подходят к своим субстратам, точно так же, как бейсбольный мяч и поношенный
перчатка аутфилдера. В этом исследовании мы попытаемся построить молекулярные
модели некоторых распространенных веществ из биологии. В нескольких случаях
появятся необычные свойства, которые нельзя было предсказать из
плоские проекции, которые обычно рисуются на бумаге.

Советы : эфир образуется, когда кислород имеет углерод с обеих сторон. Альдегид образуется при присоединении углерода к водороду и двойной связи с кислородом. Кетон образуется, когда C=O находится в середине цепочки атомов углерода. Карбоновая кислота образуется, когда углерод соединен двойной связью с одним кислородом и присоединен ко второму кислороду группой -ОН. Группа -OH сама по себе составляет спирт .

Префиксы мет-эт-проп-бут-пент-гекс-гепт-окт-нон-дек- обозначают возрастающее количество атомов углерода от 1 до 10.

Методы

человек , используйте набор для построения молекулы.

Мы будем работать с деревянными шарами, изображающими атомы. Водороды
(белый или желтый) имеют одно отверстие, кислород (красный) имеют два отверстия, азот (синий)
имеют три отверстия, а углероды (серые) имеют четыре отверстия. Используйте деревянные
дюбели для одинарного соединения и гибкая пластиковая трубка для двойного
облигации. Каждое отверстие должно быть заполнено, каждая «связка» должна быть закрыта. Для некоторых
больших примеров, может быть необходимо поделиться кусочками с
другие группы.

Поэкспериментируйте с каждым из следующих примеров, пока не
удовлетворены тем, что у вас есть единственное правильное решение.

На отдельном листе бумаги нарисуйте каждый из этих примеров в виде
Трехмерная форма, а не просто фигурка. Раскрасьте каждый эскиз как
нужный.

Если вы делаете этот урок онлайн , используйте приложение Build a Molecule для создания молекул, перечисленных ниже. Вы будете двигаться от более простых структур к более сложным. Используйте вкладку «Большие молекулы» и нажимайте желтые стрелки, чтобы перемещаться между наборами атомов, чтобы найти тот, в котором есть все материалы, необходимые для каждой структуры. Просто перетащите атомы рядом друг с другом, и сформируется связь. Щелкните между атомами, чтобы разорвать связь. Бросайте ненужные куски обратно в лоток, и они сами разберутся. Нажмите Refill Kit, чтобы очистить весь экран. В руководстве для учителей есть больше инструкций по использованию этого инструмента, но он довольно интуитивно понятен, и вы, вероятно, сможете понять его после нескольких минут изучения.

Соберите следующие

(Сначала попробуйте собрать их, используя только приведенные ниже подсказки. Затем проверьте свою работу, щелкнув ссылку.)

1. Газообразный водород — самая простая и самая маленькая из возможных молекул.
2. Кислород Газ требует двойной связи.
3. Озон имеет химическую формулу O ₃
4. Углекислый газ требует наличия двух двойных связей. (Подсказка: di- означает 2).
5. Вы знакомы с водой (H ₂ O), но перекись водорода , применяемая для обесцвечивания волос и дезинфекции срезов, имеет на один кислород больше.
6. Добавьте один углерод в воду, и вы получите формальдегид , канцероген и консервант.
7. Аммиак — простейшая молекула, состоящая из азота и водорода.
8. Метан — простейшая молекула, состоящая из углерода и водорода.
9. Метанол подобен метану, но также имеет один атом кислорода. Также называемый древесным спиртом, он токсичен для питья.
10. Этанол имеет формулу C ₂ H ₆ O. (Подсказка: требуется одна связь O-H!). Этанол — это спирт, содержащийся в пиве, вине и крепких спиртных напитках.
11. Диметиловый эфир представляет собой изомер этанола; то есть он имеет ту же химическую формулу, но другую структуру. (Подсказка: у него нет связи OH!)
12. Углекислота имеет формулу H ₂ CO ₃ и является важным буфером pH в вашей крови. (Подсказка: для этого требуется одна двойная связь и никаких трехатомных колец!)
13. Уксусная кислота при смешивании с водой образует уксус и имеет формулу C ₂ H ₄ O ₂
14. Мочевина имеет формулу CH ₄ N ₂ O. Таким образом ваше тело выводит лишний азот из белков, которые вы едите. (Подсказка: левая и правая стороны симметричны!)
15. Аланин — одна из самых простых аминокислот, из которых состоят белки. К его центральному углероду присоединены: атом водорода, аминогруппа (NH ₂ ), метильную группу (СН ₃ ) и карбоксильную группу (СО ₂ Н). Посмотрите, сможете ли вы построить второй, который будет зеркальным отражением оригинала.

Обсуждение

1. Почему углерод лежит в основе всех крупных примеров? Почему бы нет
   какой-то другой атом, например водород или кислород?
2. Если вы нашли зеркальное отражение вашей аланиновой модели, было ли это
   каким-то образом вы могли бы повернуть или повернуть две версии, чтобы сделать их
   идентичны? Почему или почему нет?
3. Почему могут существовать правосторонние и левосторонние версии аланина,
   а не мочевина или угольная кислота?
4. Каким образом молекулы с одинаковой химической формулой, такие как этанол и диметиловый эфир, могут иметь разные физические свойства?
5. Когда вино или пиво подвергаются воздействию кислорода, этанол превращается в уксусную кислоту и образуется вода. Сравните эти два соединения и напишите уравнение превращения.
6. В научно-фантастических фильмах иногда идея жизни на основе кремния предлагается как альтернатива углероду. Можете ли вы догадаться, почему? Подсказка: это рядом с углеродом в периодической таблице.

Дальнейшее расследование

Изучение периодики
Таблица элементов с вашим Mac или используйте эту онлайн-таблицу Менделеева. Для более мощного Molecule Builder попробуйте Jmol.

Упражнение на критическое мышление : Узнайте о диводороде
Монооксид, тихий убийца.

Формы простых молекул – Химия

Формы молекул и их валентные углы (углы между ковалентными связями) не случайны, а определяются в соответствии с набором принципов, называемых Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки . (ВСЭПР)

Мы будем рассматривать простую молекулу как состоящую из центрального атома, вокруг которого расположен ряд других атомов. Внешняя оболочка этого центрального атома будет содержать электроны, которые являются частью связывающих пар, а также могут содержать неподеленные пары. Именно взаимное отталкивание между этими электронными парами придает молекуле ее форму и валентные углы.

VSEPR Теория гласит: i) электронные пары отталкиваются, чтобы разойтись как можно дальше, и ii) неподеленные пары отталкиваются сильнее, чем связывающие пары.

Как следствие этого, одиночная пара будет сближать соединяющие пары, уменьшая угол между ними на 2,5º для каждой одиночной пары.

Каждая конкретная форма имеет имя, отражающее ее геометрию:

Чтобы понять, как возникают эти формы, нам нужно посмотреть на конкретные молекулы и, в частности, изучить количество и тип электронных пар вокруг центрального атома.

Молекулы только с парами связей вокруг центрального атома

т.е. BeCl

₂       Be имеет 2 пары соединений    Be имеет 0 неподеленных пар

Две пары соединений отталкиваются друг от друга как можно дальше друг от друга, образуя угол связи 180° . Неподеленные пары на Cl не влияют на форму. Молекула ЛИНЕЙНАЯ .

напр. BF ₃            B имеет 3 пары соединений     B имеет 0 одиночных пар

Есть 3 пары соединений, расположенных как можно дальше друг от друга. Это приводит к 120° валентным углам в плоской молекуле. Форма ТРИГОНАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ .

напр. CH

₄       C имеет 4 пары соединений   C имеет 0 одиночных пар

4 пары соединений расположены максимально далеко друг от друга. Это приводит к валентному углу 109,5 ° и форме ТЕТРАЭДАЛЬ .

напр. PF

₅         P имеет 5 связывающих пар   P имеет 0 одиночных пар

Имеется 5 связующих пар, расположенных как можно дальше друг от друга. Трое лежат в самолете, с 120° валентных угла, а два других находятся под углом 90° к этой плоскости. Форма ТРЕУГОЛЬНАЯ ДВУПИРАМИДАЛЬНАЯ.

напр. SF ₆         S имеет 6 пар соединений   S имеет 0 одиночных пар

Имеется 6 пар соединений, расположенных как можно дальше друг от друга. Каждый лежит на 90° по отношению к другим. Форма Восьмигранная .

Молекулы, в которых центральный атом имеет неподеленные пары, а также связывающие пары

Электронные пары по-прежнему будут располагаться так, чтобы разойтись как можно дальше друг от друга: это сделают как неподеленные, так и связывающие пары. Затем нам нужно назвать форму. Неподеленные пары ведут себя как невидимые силы, толкающие связывающие пары в новые положения, и, называя форму, мы учитываем только то, где оказались связующие пары под влиянием этих невидимых неподеленных пар. Когда мы определяем валентные углы, мы также должны помнить, что отталкивание неподеленных пар к связывающим парам сильнее, чем отталкивание между связывающими парами, поэтому валентные углы можно уменьшить на 2,5º.

напр.

NF ₃       N имеет 3 пары связей     N имеет 1 неподеленную пару

Четыре пары электронов занимают тетраэдрическое расположение, чтобы разойтись как можно дальше друг от друга, поэтому валентные углы составляют 109,5 – 2,5 = 107º . Форма, которую принимают три связывающие пары вокруг центрального атома N, — ПИРАМИДА .

напр. H

₂ S        S имеет 2 пары связей      S имеет 2 неподеленные пары

Четыре пары электронов занимают тетраэдрическое расположение, чтобы разойтись как можно дальше друг от друга, чтобы валентные углы составляли  109.5 – (2 х 2,5) = 104,5º . Две связывающие пары вокруг центрального атома S имеют форму NON-LINEAR или BENT .

Молекулы с двойными ковалентными связями

Для целей теории VSEPR двойная связь действует точно так же, как одинарная связь, поэтому мы считаем ее одной парой связей, а не двумя.

напр.

CO ₂       C имеет две пары связей     C имеет 0 неподеленных пар

Мы считаем, что центральный атом C имеет две (а не четыре) пары связей, считая каждую двойную связь одной парой связей, поэтому валентный угол равен 180º и форма ЛИНЕЙНАЯ .

Формы ионов соединений

Составных ионов (такие как аммоний NH ₄ ⁺ , нитрат № ₃ ^— , сульфат SO ₄ ^2- ). ионная связь с противоположно заряженными ионами, но они имеют ковалентную связь внутри иона и следуют тем же правилам в отношении теории VESPR для определения формы иона.

напр. аммоний NH

₄ ⁺      N имеет 4 пары соединений и 0 одиночных пар

Четыре пары соединений располагаются так, чтобы быть как можно дальше друг от друга. Нет никакой разницы между дательной связью и ковалентной связью после ее образования, поэтому валентные углы равны 109,5º , а форма ТЕТРАЭДРАЛЬНАЯ .

Мы можем обобщить взаимосвязь между количеством и типами электронных пар вокруг центрального атома и результирующей формой и валентными углами, как показано в таблице ниже. Как только число неподеленных пар и связующих пар станет известно, можно выбрать соответствующую форму и валентные углы. (Здесь неподеленные пары показаны серым цветом, чтобы можно было визуализировать их влияние на форму, но помните, что неподеленные пары не являются частью именованной формы).

Объяснение формы молекул

В экзаменационных вопросах обычно просят сформулировать и объяснить форму молекулы. Определив название формы и соответствующие валентные углы, мы должны уметь объяснить нашу логику.

Нам необходимо включить следующие пункты:

1. Заявление о количестве связанных и неподеленных пар (даже если их нет) вокруг центрального атома в молекуле, которую мы обсуждаем
2. Пары электронов отталкиваются, чтобы разойтись как можно дальше
3. Что неподеленные пары отталкиваются сильнее, чем связывающие пары (если присутствуют неподеленные пары)
4. Заявление о форме, которую молекула имеет в результате

Представление формы молекул

Для рисования трехмерной формы в двухмерном изображении требуется соглашение, показывающее, когда связи не находятся в плоскости бумаги. При рисовании молекул связь, нарисованная сплошным клином, означает связь, выходящую вперед из плоскости бумаги, а связь, нарисованная пунктирным клином, означает связь, идущую назад за бумагой.

Молекула метана тетраэдрической формы, нарисованная, чтобы показать ее трехмерное расположение, с двумя связями справа от молекулы, выходящими из бумаги и внутрь нее, и связью слева и над атомом углерода, находящейся в плоскость бумаги.

Формы более сложных молекул

Большинство молекул не состоят из одного центрального атома с несколькими связанными с ним другими атомами.