4. Общая характеристика химической связи

Учение о химической связи – центральная проблема современной химии.

Н.С. Ахметов

1. Параметры химической связи

Учение о химической связи – центральная тема химии, т.к. сущность химической формы движения материи (как уже говорилось в главе 1.1) состоит в образовании новых химических связей (ХС) за счет разрыва или ослабления прежних.

Современное определение ХС: связь, возникающая при взаимодействии двух атомов (за счет электростатических сил притяжения и отталкивания их электронов и ядер), которое приводит к снижению энергии данной системы.

Причем энергия, выделяющаяся при образовании данной ХС, и есть энергия этой связи (Е). Численно она равна также энергии, которую нужно затратить на разрыв данной ХС, поэтому Е – главная характеристика, являющаяся мерой прочности связи.

Параметрами, характеризующими химическую связь (кроме энергии), являются ее длина, полярность и поляризуемость.

Длина связи (l) – это среднее расстояние между ядрами атомов, образующих ХС. Из сопоставления величины орбитального радиуса атома водорода (0,053 нм) и длины связи в молекуле H₂ (0,074 нм) видно, что при образовании ХС (H H− ) происходит частичное перекрывание орбиталей атомов H. (Это же наблюдается для других веществ.)

Поскольку химическую связь можно представить как стягивание ядер атомов повышенной электронной плотностью в области перекрывания орбиталей, то (в соответствии с законом Кулона [9]) чем меньше длина связи (т.е. меньше атомные радиусы⁴⁹) и больше заряды ядер, тем прочнее должна быть связь.

Прочность связи зависит также от ее полярности, т.е. степени смещения электронной плотности (в области перекрывания орбиталей) к одному из ядер; а это смещение тем значительнее, чем больше разность Э.О. элементов, образующих связь. При прочих равных параметрах, чем больше полярность связи, тем больше ее энергия и, следовательно, меньше длина.

Полярность связи количественно характеризуется дипольным моментом (µ), который можно рассчитать (в дебаях – D) по формуле:

µ = 48δ ⋅ l.

Здесь l – длина связи в нм; коэффициент 48 получен расчетом:

,

где 1,6 ⋅10⁻⁵⁰⁹ - это заряд электрона в кулонах (Кл), т.е. в единицах количества электричества; 10⁻⁹ - множитель перехода от метров к нм; 3,33·10^-30 - значение одного дебая в кулонометрах (Кл ⋅ м).

Величина δ в формуле расчета µ – это эффективный (реальный) заряд на атоме, участвующем в образовании ХС. Он выражается в относительных единицах, а именно по отношению к заряду электрона, принятому за единицу (см. выше).

Например, в молекуле LiF: δ_Li = +0,84 и δ_F = −0,84 , а в HF: δ_H = +0,43, δ_F = −0,43 ¹. Поскольку значения l в данных молекулах равны соответственно 0,156 нм и 0,092 нм, то получим µ(LiF) = 6,30 D , а µ(HF) = 1,90 D . Очевидно, чем больше величина дипольного момента, тем больше полярность связи.

Поляризуемость связи – это ее способность становиться более полярной под действием внешнего электростатического поля. Например, связь в молекуле хлорида водорода (µ(HCl) = 0,96 D ) под действием диполей воды поляризуется до полного распада HCl на ионы. В то же время HF, несмотря на бóльшую полярность связи (см. выше), диссоциирует в воде лишь частично вследствие гораздо большей жесткости (т.е. слабой поляризуемости) связи из-за малого радиуса фтора.

С другой стороны, более значительное поляризующее действие катионов водорода по сравнению с катионами металлов (из-за большей электроотрицательности Н), является одной из причин того, что термическая устойчивость кислородосодержащих кислот значительно ниже, чем их солей. Поскольку катион водорода в большей степени (чем ион металла) оттягивает электронную плотность от аниона и, значит, делает связи в последнем значительно менее прочными, а сам анион - менее симметричным.

Особенно термостойки соли щелочных металлов (ЩМ) вследствие низкой Э.О.

этих металлов². Так, если H₂SO₄ разлагается при 338⁰C, то Na₂SO₄ – лишь при температуре выше 1400⁰C.