ПРИРОДА ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Химическая связь – явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы по сравнению с энергией изолированных атомов. В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. Кроме того, между атомами соседних молекул могут возникать взаимодействия, такие как водородная связь и вандерваальсовые силы.

Основными характеристиками химической связи являются ее энергия, длина и валентный угол.

Энергия химической связи Е_{А – В} (кДж/моль) – мера прочности связи, которая определяется работой, необходимой для разрушения данной связи, или энергией, которая выделяется при образовании связи из отдельных атомов. Чем больше Е_{А – В}, тем прочнее (устойчивее) частица. Для двухатомных простых молекул типа А₂ (например, Н₂ или N₂) энергия связи равна энергии атомизации молекулы Е_атом, т. е. энергии, которая затрачивается на распад 1 моль молекул типа А₂ до атомарного состояния. Для многоатомных молекул типа АВ_n (например, СН₄ или NH₃) принято говорить о средней энергии связи , которая может быть определена по формуле

, (1)

где - энергия образования вещества, кДж/моль; n – число однотипных связей (обычно совпадает с числом атомов В в молекуле).

Для расчета энергии одной связи необходимо (в кДж/моль) разделить на постоянную Авогадро N_А.

Энергия химической связи может быть определена по положению границы между линейным и сплошным спектром молекулы. Эта граница характеризует минимальное количество энергии, необходимое для разрыва связи, то есть саму энергию связи. Энергия химической связи и длина волны света связаны между собой выражением

, (2)

где h – постоянная Планка; с – скорость света.

Разрыв связи в молекуле может быть осуществлен:

1) гомолитически, то есть с образованием атомов АВ ® А + В;

2) гетеролитически, то есть с образованием ионов АВ ® А^z+ + B^z-.

При изменении энергий связей в рядах однотипных соединений можно отметить следующие закономерности:

- чем больше разность между электроотрицательностями (DЭО) эле­ментов, тем больше энергия связи между их атомами (правило Полинга);

- чем больше размеры атомов, тем меньше энергия связи;

- энергия связи в кристалле всегда больше, чем в соответствующей молекуле;

- энергия диссоциации по гомолитическому механизму ниже, чем по гетеролитическому.

Длина связи l_А-В (нм) – это расстояние между ядрами химически связанных атомов. Эта характеристика зависит от размеров электронных оболочек и степени их перекрывания. Между длиной связи и ее энергией имеется определенная корреляция: чем меньше длина связи, тем больше энергия связи. Для приближенной оценки длины ковалентной связи в молекуле можно использовать формулу

, (3)

где , - межъядерные расстояния в молекулах А₂ и В₂. Половина межъядерного расстояния в простой двухатомной молекуле называется ковалентным радиусом атомаr_А.

Для веществ, находящихся в кристаллическом состоянии, принято говорить о константе решетки K . Константа решетки - это расстояние между центрами двух соседних структурных частиц в кристалле. В ионном кристалле константа решетки равна сумме эффективных радиусов ионов.

Угол между воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически связанных атомов, называется углом связи или валентным углом. Его определяют с учетом гибридизации центрального атома в молекуле.

Пример 1.Вычислите длину связи в молекуле Н₂О, используя справочные данные о межъядерных расстояниях в молекулах Н₂ и О₂.

Р е ш е н и е

Из табл. 1 приложения выбираем значения длин связей в молекулах водорода и кислорода = 0,074 нм; = 0,121 нм.

По формуле (3) вычисляем длину связи в молекуле Н₂О:

нм.

Пример 2. Константа кристаллической решетки KCl равна K = 0,316 нм. Оцените эффективный радиус иона K⁺, если радиус иона Cl^– = 0,181 нм.

Р е ш е н и е

КСl является соединением ионного характера, поэтому эффективный радиус иона калия можно вычислить как разность между константой решетки и эффективным радиусом иона Cl^–

нм.

Пример 3. Средняя энергия связи N–Н в молекуле NH₃ равна 385 кДж/моль. Какое количество энергии необходимо затратить, чтобы разложить на атомы: а) одну молекулу аммиака; б) 10 г аммиака?

Р е ш е н и е

Используя формулу (1), определяем энергию образования 1 моль молекул аммиака

кДж/моль.

Тогда на разрушение 1 молекулы аммиака понадобится энергия

Дж.

Количество энергии, необходимой для разложения 10 г аммиака, равно

кДж.

Пример 4.Вычислите эффективный радиус атома хрома, если плотность данного металла равна 7,16 г/см³.

Р е ш е н и е