1.17 Structure and physical propert

1.17 Structure and physical properties

We have just discussed one physical property of compounds: dipole moment. Other physical properties-like melting point, boiling point, or solubility in a particular solvent-are also of concern to us. The physical properties of a new compound give valuable clues about its structure. Conversely, the structure of a compound often tells us what physical properties to expect of it.
In attempting to synthesize a new compound, for example, we must plan a series of reactions to convert a compound that we have into the compound that we want. In addition, we must work out a method of separating our product from all the other compounds making up the reaction mixture: unconsumed reactants, solvent, catalyst, by-products. Usually the isolation and purification of a product take much more time and effort than the actual making of it. The feasibility of isolating the product by distillation depends upon its boiling point and the boiling points of the contaminants; isolation by recrystallization depends upon its solubility in various solvents and the solubility of the contaminants. Success in the laboratory often depends upon making a good prediction of physical properties from structure. Organic compounds are real substances—not just collections of letters written on a piece of paper—and we must learn how to handle them.
We have seen that there are two extreme kinds of chemical bonds: ionic bonds, formed by the transfer of electrons, and covalent. bonds, formed by the sharing of electrons. The physical properties of a compound depend largely upon which kind of bonds hold its atoms together in the molecule.



1.18 Melting point

In a crystalline solid the particles acting as structural units-ions or mole¬cules-are arranged in some very regular, symmetrical way; there is a geometric pattern repeated over and over within a crystal.
Melting is the change from the highly ordered arrangement of particles in the crystalline lattice to the more random arrangement that characterizes a liquid (see Figs. 1.18 and 1.19). Melting occurs when a temperature is reached at which the thermal energy of the particles is great enough to overcome the intracrystalline forces that hold them in position.
An ionic compound forms crystals in which the structural units are kns. Solid sodium chloride, for example, is made up of positive sodium ions and negative chloride ions alternating in a very regular way. Surrounding each positive ion and


Figure 1.18 Melting of an ionic crystal. The units are ions.

equidistant from it are six negative ions: one on each side of it, one above and one below, one in front and one in back. Each negative ion is surrounded in a similar way by six positive ions. There is nothing that we can properly call a molecule of sodium chloride. A particular sodium ion does not "belong" to any one chloride ion; it is equally attracted to six chloride ions. The crystal is an extremely strong, rigid structure, since the electrostatic forces holding each ion in position are powerful. These powerful interionic forces are overcome only at. a very high temperature; sodium chloride has a melting point of 801 °C.
Crystals of other ionic compounds resemble crystals of sodium chloride in having an ionic lattice, although the exact geometric arrangement may be different. As a result, these other ionic compounds, too, have high melting points. Many molecules contain both ionic and covalent bonds. Potassium nitrate, KN03, for example, is made up of K+ ions and N03- ions; the oxygen and nitrogen atoms of the N03- ion are held to each other by covalent bonds. The physical properties of compounds like these are largely determined by the ionic bonds; potassium nitrate has very much the same sort of physical properties as sodium chloride.
A non-ionic compound, one whose atoms are held to each other entirely by covalent bonds, forms crystals in which the structural units are molecules. It is the forces holding ions to each other. To melt sodium chloride we must supply enough energy to break ionic bonds between Na+ and CI-". To melt methane, CH4) we do not need to supply enough energy to break covalent bonds between carbon and hydrogen; we need only supply enough energy to break CH4
molecules away from each other. In contrast to sodium chloride, methane melts at — 183 °C.


1.19 Intermolecular forces

What kinds of forces hold neutral molecules to each other? Like interionic forces, these forces seem to be electrostatic in nature, involving attraction of positive charge for negative charge. There are two kinds of intermolecular forces: dipole-dipole interactions and van der Waals forces.
Dipole-dipole interaction is the attraction of the positive end of one polar molecule for the negative end of another polar molecule. In hydrogen chloride, for example, the relatively positive hydrogen of one molecule is attracted to the relatively negative chlorine of another:


As a result of dipole-dipole interaction, polar molecules are generally held to each other more strongly than are non-polar molecules of comparable molecular weight; this difference in strength of intermolecular forces is reflected in the physical properties of the compounds concerned.
An especially strong kind of dipole-dipole attraction is hydrogen bonding, in which a hydrogen atom serves as a bridge between two electronegative atoms, holding one by a covalent bond and the other by purely electrostatic forces. When hydrogen is attached to a highly electronegative atom, the electron cloud is greatly distorted toward the electronegative atom, exposing the hydrogen nucleus. The strong positive charge of the thinly shielded hydrogen nucleus is strongly attracted by the negative charge of the electronegative atom of a second molecule. This attraction has a strength of about 5 kcal/mol, and is thus much weaker than the covalent bond—about 50-100 kcal/mol—that holds it to the first electronegative atom. It is much stronger, however, than other dipole-dipole attractions. Hydrogen bonding is generally indicated in formulas by a broken line:

For hydrogen bonding to be important, both electronegative atoms must come from the group:F, O, N. Only hydrogen bonded to one of these three elements is positive enough, and only these three elements are negative enough, for the necessary attraction to exist. These three elements owe their special effectiveness to the concentrated negative charge on their small atoms.
There must be forces between the molecules of a non-polar compound, since even such compounds can solidify. Such attractions are called van der Waals forces. The existence of these forces is accounted for by quantum mechanics. We can roughly visualize them arising in the following way. The average distribution of charge about, say, a methane molecule is symmetrical, so that there is no net dipole moment. However, the electrons move about, so that at any instant the distrib¬ution will probably be distorted, and a small dipole will exist. This momen¬tary dipole will affect the electron distribution in a second methane molecule nearby. The negative end of the dipole tends to repel electrons, and the positive end tends to attract electrons; the dipole thus induces an oppositelyoriented dipole in the neighboring molecule:



Although the momentary dipoles and induced dipoles are constantly changing, the net result is attraction between the two molecules.
These van der Waals forces have a very short range; they act only between the portions of different molecules that are in close contact, that is, between the sur¬faces of molecules. As we shall see, the relationship between the strength of van der Waals forces and the surface areas of molecules (Sec. 3.12) will help us to understand the effect of molecular size and shape on physical properties.
With respect to other atoms to which it is not bonded—whether in another molecule or in another part of the same molecule—very atom has an effective "size", called its van der Waals radius. As two non—bonded atoms are brought together the attraction between them steadily increases, and reaches a maximum when they are just "touching'—that is to say, when the distance between the nuclei is equal to the sum of the van der Waals radii. Now, if the atoms are forced still closer together, van der Waals attraction is very rapidly replaced by van der Waals repulsion. Thus, non—bonded atoms welcome each other's touch, but strongly resist crowding.
We shall find both attractive and repulsive van der Waals forces important to our understanding of molecular structure.

Результаты (русский) 1:

1.17 структура и физические свойстваМы только что обсуждали одно физическое свойство соединений: дипольный момент. Другие физические свойства как температура плавления, кипения или растворимость в частности растворителя являются также касаются нас. Физические свойства нового соединения дают ценные подсказки о его структуре. И наоборот структура соединения часто говорит нам какие физические свойства ожидать его.В попытке синтезировать новые соединения, например, мы должны планировать ряд реакций для преобразования соединение, которое у нас есть в соединение, которое мы хотим. Кроме того, мы должны выработать метод разделения нашего продукта от всех других соединений, входящих в состав реакционной смеси: невостребованные реактивов, растворителей, катализатор, побочных продуктов. Обычно изоляция и очистка продукта занимает гораздо больше времени и усилий, чем фактическое изготовление его. Возможности изоляции продукта путем перегонки зависит от ее кипения и кипения загрязняющих веществ; изоляция по перекристаллизации зависит его растворимость в различных растворителях и растворимости загрязняющих веществ. Успех в лаборатории часто зависит от хорошего прогноза физических свойств от структуры. Органических соединений являются реальные вещества — не только коллекции писем, написанных на бумаге, и мы должны узнать, как с ними справиться.Мы видели, что существуют два крайних типа химических связей: ионных связей, образованных переноса электронов и ковалентная. облигации, формируется путем обмена электронами. Физические свойства соединения зависят во многом на которой вид облигаций сплачивают его атомов в молекуле.1.18 точка плавленияВ кристаллических твердых частиц, действуя в качестве структурных подразделений ионов или mole¬cules это организовал в некоторых очень регулярно, симметричным способом; Существует геометрический рисунок повторяется снова и снова в пределах кристалла.Таяние является переход от высоко упорядоченного расположения частиц в кристаллической решетке более случайных договоренности, которая характеризует жидкости (см. рис. 1.18 и 1.19). Плавление происходит при достижении температуры на котором тепловая энергия частиц достаточно большой, чтобы преодолеть intracrystalline силы, которые держат их в положении.Ионное соединение образует кристаллы, в которых структурные подразделения, КНС. Например, твердого хлорида натрия состоит из ионов натрия положительных и отрицательных хлорид-ионов, чередуя очень обычным образом. Вокруг каждого положительных ионов и На рисунке 1.18 плавления ионных кристаллов. Единицами являются ионы.равноудалена от его шесть отрицательных ионов: одной на каждой стороне его, один выше и ниже, один спереди и один в задней части. Аналогичным образом каждый отрицательный ион окружен шестью положительных ионов. Нет ничего что мы правильно можем назвать молекула хлорида натрия. Ион натрия особенно не «принадлежат» к любой одной хлорид иона; Он одинаково привлекают шесть хлорид-ионов. Кристалл является чрезвычайно сильным, жесткие структуры, так как мощные электростатические силы, удерживая каждый Ион в положении. Эти мощные межионных сил будут преодолены только в. очень высокая температура; хлорид натрия имеет температуру плавления 801 ° c.Кристаллы других ионных соединений напоминают кристаллы хлорида натрия в том ионные решетки, хотя точные геометрические договоренности могут быть разными. В результате эти другие ионные соединения, тоже есть высокой температурой плавления. Многие молекулы содержат ионных и ковалентных связей. Например, нитрат калия, KN03, состоит из ионов K + и N03-ионов; атомы кислорода и азота N03-иона проводятся друг другу ковалентные связи. Физические свойства соединений, как они в значительной степени определяются ионных связей; Нитрат калия имеет очень много же рода физических свойств как хлорид натрия.Неионные соединения, один которого атомы удерживаются друг другу полностью ковалентные связи, образует кристаллы, в которых структурные подразделения являются молекулы. Это силы, проведение ионов друг к другу. Для расплава хлорида натрия мы должны поставлять достаточно энергии, чтобы нарушить ионных связей между Na + и CI-». Чтобы расплавить метан, СН4) нам не нужно поставлять достаточно энергии, чтобы нарушить ковалентных связей между углерода и водорода; Мы только должны поставлять достаточно энергии, чтобы нарушить CH4 молекулы друг от друга. В отличие от хлорида натрия, метан плавится при-183 ° C.1.19 межмолекулярных силКакие виды сил провести нейтральных молекул друг к другу? Как межионных сил эти силы, по-видимому, электростатический характер, с участием притяжения положительного заряда на отрицательный заряд. Существует два вида межмолекулярных сил: диполь дипольных взаимодействий и ван-дер-Ваальса.Диполь дипольного взаимодействия является привлечение положительный конец одной полярной молекулы на отрицательный конец другой полярной молекулы. В Хлорид водорода например, относительно положительные водорода одной молекулы притягивается к относительно негативных хлора другого: В результате Диполь дипольные взаимодействия полярные молекулы обычно проходят друг к другу более сильно, чем являются неполярными молекулами сопоставимых молекулярной массы; Эта разница в прочности межмолекулярных сил отражается в физических свойствах соответствующих соединений.Особенно сильный вид притяжения Диполь дипольного-водородных связей, в которой атом водорода служит мостом между двумя электроотрицательных атомов, держа один ковалентной связи и другой чисто электростатических сил. Когда водород присоединяется к весьма электроотрицательных атом, электрон облаку сильно искажена сторону электроотрицательных атом, подвергая ядра водорода. Сильный положительный заряд ядра водорода тонко экранированный сильно привлекает отрицательный заряд электроотрицательных атомов второй молекулы. Этот аттракцион имеет численность около 5 ккал/моль и таким образом намного слабее ковалентной связи — около 50-100 ккал/моль, что держит его в первом электроотрицательных атома. Это гораздо сильнее, однако, чем другие достопримечательности Диполь дипольный. Склеивание водорода в формулах обычно обозначается ломаной линии: Для склеивания водорода будет важно, оба электроотрицательных атомов должны прийти от группы: F, O, н. только водород, приклеенная к одной из этих трех элементов достаточно позитивным, и только эти три элемента являются достаточно, негативными, для необходимого привлечения существовать. Эти три элемента обязаны их специальных эффективности концентрированных отрицательный заряд на их малые атомы.Там должны быть силы между молекулами неполярных соединение, так как даже таких соединений может затвердеть. Такие достопримечательности называют ван-дер-Ваальса. Существование этих сил приходится на квантовой механике. Мы примерно можем себе их возникающие следующим образом. Средняя распределение заряда о, скажем, Молекула метана является симметричным, так что нет никакой чистой дипольный момент. Однако электроны передвигаются, так что в любой момент distrib¬ution вероятно будут искажены, и маленький Диполь будет существовать. Этот Диполь momen¬tary будет влиять на распределение электронов в молекуле метана второй поблизости. Отрицательный конец диполя, как правило, для отражения электронов, и положительный конец, как правило, привлекают электронов; Таким образом, диполя индуцирует oppositelyoriented диполя в соседней молекуле: Хотя кратковременный диполей и наведенные диполи, постоянно меняется, конечным результатом является притяжение между двумя молекулами.Эти ван дер Ваальса имеют очень короткий диапазон; они действуют только между частями различных молекул, которые находятся в тесном контакте, то есть, между sur¬faces молекул. Как мы увидим, отношения между силы Ван-дер-Ваальса и площади поверхности молекул (Sec. 3.12) поможет нам понять влияние на физические свойства молекулярных размеров и формы.Что касается других атомов, к которым он не связан — будь то в другой молекулы или в другой части той же молекулы — очень атом имеет эффективный «размер», назвал его радиус ван-дер-Ваальса. Как два номера — кабальный атомы объединяются, притяжение между ними неуклонно возрастает и достигает максимума, когда они просто «трогательно» — то есть, когда расстояние между ядрами равна сумме радиусов ван-дер-Ваальса. Теперь если атомы вынуждены еще ближе вместе, Ван-дер-Ваальса притяжения очень быстро заменены отталкивания ван-дер-Ваальса. Таким образом не — подневольный атомы приветствовать друг друга touch, но решительно сопротивляться скученности.Мы найдем привлекательным и отталкивания ван дер Ваальса важными для нашего понимания молекулярной структуры.

Результаты (русский) 2:

1.17 Структура и физические свойства Мы только что обсуждали один физическое свойство соединений: дипольный момент. Другие физические свойства, как-точка плавления, точка кипения, или растворимость в частности растворителя-также вызывает у нас озабоченность. Физические свойства нового соединения дать ценные подсказки о его структуре. Наоборот, структура соединения часто говорит нам, что физические свойства ожидать от него. При попытке синтезировать новое соединение, например, мы должны планировать серию реакций для преобразования соединения, что у нас в соединение, что мы хотим. Кроме того, мы должны выработать метод разделения наш продукт от всех других соединений, входящих в состав реакционной смеси: неизрасходованные реагенты, растворитель, катализатор, продукты. Обычно выделение и очистка продукта занимает много больше времени и усилий, чем фактический решений от него. Возможность выделения продукта путем перегонки зависит от его температуры кипения и температуры кипения примесей; Выделение с помощью перекристаллизации, зависит от его растворимости в различных растворителях и растворимость примесей. Успех в лаборатории часто зависит от хорошего делает предсказание физическим свойствам от структуры. . Органические соединения реальные вещества, а не только коллекции писем на бумаге-и мы должны научиться обращаться с ними мы видели, что есть два экстремальные виды химических связей: ионных связей, образованных путем передачи электронов, и ковалентной. облигации, образованные в результате совместного электронов. Физические свойства соединения в значительной степени зависеть, какой вид облигаций проводить свои атомов в молекулы. 1.18 Температура плавления В виде кристаллического твердого вещества частицы, действующие как структурные единицы-ионы или mole¬cules-расположены в некоторых очень регулярной, симметрично ; есть геометрический рисунок повторяется снова и снова в течение кристалла. Плавление переход от высокой упорядоченное расположение частиц в кристаллической решетке к более случайным расположением, которое характеризует жидкости (см. 1.18 и 1.19). Температура происходит, когда температура достигается при котором тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть внутрикристаллического силы, которые удерживают их на месте. ионное соединение формы кристаллы, в которых структурные единицы КНС. Твердые хлорид натрия, например, состоит из положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора, чередующихся в очень обычным способом. Ближайшие каждый положительный ион и рисунок 1.18 плавления ионных кристаллов. Блоки являются ионы. равноудалена от его шесть отрицательные ионы: по одному с каждой стороны от нее, один выше и один ниже, один спереди и один сзади. Каждый отрицательный ион окружен таким же образом шесть положительных ионов. Там нет ничего, что мы можем назвать правильно молекулу хлористого натрия. Частности ионов натрия не "принадлежат" к любому иона хлорида один; в равной степени привлекает к шести ионов хлора. Кристалл чрезвычайно сильным, жесткая структура, так как электростатические силы, удерживающие каждый ион в положении мощные. Эти мощные межионные силы преодолеть только при. очень высокая температура; Хлорид натрия имеет температуру плавления 801 ° С. Кристаллы других ионных соединений напоминают кристаллы хлорида натрия в имеет ионную решетку, хотя точное геометрическое расположение может быть различным. В результате, эти другие ионные соединения, также имеют высокую температуру плавления. Многие молекулы содержат как ионные и ковалентные связи. Нитрат калия, KN03, например, состоит из ионов К + и ионов N03-; на атомы кислорода и азота иона N03- проводятся друг с другом ковалентными связями. Физические свойства соединений, таких как эти в значительной степени определяется ионными связями; нитрат калия обладает очень такой же физическими свойствами, как хлористый натрий. неионное соединение, одним атомы которого удерживаются друг с другом полностью ковалентными связями, образует кристаллы, в которых структурные единицы молекулы. Это силы, удерживающие ионы друг к другу. . Для расплава хлорида натрия мы должны поставлять достаточно энергии, чтобы вырваться ионных связей между Na + и CI- "таять метан, СН4), мы не должны поставлять достаточно энергии, чтобы вырваться ковалентные связи между атомами углерода и водорода, нужно только поставить достаточное количество энергии, чтобы разорвать CH4 молекулы друг от друга, в отличие от хлорида натрия, метан плавится при -.. 183 ° С 1,19 межмолекулярных сил ? Какие виды силы удерживают нейтральные молекулы друг к другу, как межионных сил, эти силы кажутся электростатическую природу, включая . привлечение положительного заряда на отрицательный заряд Есть два вида межмолекулярных сил:. диполь-дипольных взаимодействий и Ван-дер-Ваальса Диполь-дипольное взаимодействие привлечение положительного конца одной полярной молекулы для отрицательного конца полярной молекулы другого. В хлористого водорода, например, относительно положительное водорода одной молекулы притягивается к отрицательным относительно другого хлора: В результате диполь-дипольное взаимодействие, полярные молекулы, как правило, провели друг с другом сильнее, чем неполярные молекулы сопоставимы молекулярная масса; Эта разница в прочности межмолекулярных сил отражается в физических свойств рассматриваемых соединений. Особенно сильное притяжение вид диполь-дипольного водородные связи, в которой атом водорода служит мостиком между двух электроотрицательных атомов, удерживая одну посредством ковалентной связью, а другой чисто электростатических сил. При водорода присоединен к высокой электроотрицательным атомом, электронное облако сильно искажается в сторону электроотрицательным атомом, подвергая ядро водорода. Сильный положительный заряд тонко экранированного ядра водорода сильно привлекает отрицательный заряд электроотрицательным атомом второй молекулы. Это притяжение имеет прочность около 5 ккал / моль, и, таким образом, значительно слабее, чем ковалентная связь-50-100 ккал / моль-то держит его к первому электроотрицательным атомом. Это гораздо сильнее, однако, по сравнению с другими диполь-дипольных достопримечательностей. Образование водородных связей, как правило, указаны в формулах пунктиром: Для склеивания водорода важным, как электроотрицательных атома должны прийти из группы: F, O, Н. только водорода, связанных с одним из этих трех элементов является положительным достаточно, и только они три элемента являются отрицательными достаточно для необходимости привлечение существовать. Эти три элемента должны их особую эффективность в концентрированной отрицательного заряда на их малых атомов. Там должно быть силы между молекулами неполярной соединения, так как даже такие соединения могут затвердеть. Называются такие достопримечательности ван-дер-Ваальса. Существование этих сил приходится на квантовой механике. Мы можем примерно представить их возникновения следующим образом. Среднее распределение заряда, скажем, о молекула метана является симметричным, так что нет результирующего дипольный момент. Тем не менее, электроны двигаться, так что в любой момент distrib¬ution, вероятно, будут искажены, и небольшой дипольный будет существовать. Это momen¬tary диполь будет влиять на распределение электронов в молекуле метана второй поблизости. Отрицательный конец диполя стремится оттолкнуть электроны, а положительный конец стремится привлечь электроны; Таким образом, диполь индуцирует oppositelyoriented диполя в соседней молекулы: Несмотря на то, мгновенные диполи и индуцированные диполи постоянно меняется, чистый результат притяжения между двумя молекулами. Эти ван-дер-Ваальса имеют очень короткий диапазон; они действуют только между частями различных молекул, которые находятся в тесном контакте, то есть, между sur¬faces молекул. Как мы увидим, отношения между силой Ван-дер-Ваальса и поверхностных областях молекул (п. 3.12) поможет нам понять влияние размера молекул и форма физических свойств. Что касается других атомов, к которому он не связан-имеет ли в другой молекуле или в другой части того же атома молекулы-очень эффективный "размер", называется его ван-дер-Ваальса радиуса. Как два не-связанных атомов сводятся вместе притяжение между ними неуклонно возрастает и достигает максимума, когда они просто "touching'-то есть, когда расстояние между ядрами равна сумме ван-дер-ваальсовых радиусов . Теперь, если атомы вынуждены еще ближе друг к другу, ван-дер-Ваальса притяжения очень быстро заменить ван-дер-Ваальса отталкивания. Таким образом, несвязанные атомы приветствовать прикосновение друг друга, но сильно сопротивляться скученности. Найдем как притяжения и отталкивания фургон дер-Ваальса важно для нашего понимания молекулярной структуры.

Результаты (русский) 3:

1.17 структуры и физические свойства

мы только что обсуждали соединений физические свойства: дипольный момент.другие физические свойства, такие как температура плавления и кипения, или в конкретном растворимости также внимание мы.Новое соединение на физические свойства его структуры ценные подсказки.напротив,соединение структуры часто говорил нам, что физические свойства его попытки ожидания. например, в новых синтетических соединений,
, мы должны планировать серию реакции соединений, мы преобразовать мы хотим соединений.Кроме того, мы должны решить один из всех других соединений разделения смесей наши продукты реакции метод: избыток реагенты,