14.1.2 Основные характеристики химической связи
Энергия связи – это энергия, необходимая для разрыва химической связи. Энергии разрыва и образовании связи равны по величине, но противоположны по знаку. Чем больше энергия химической связи, тем устойчивее молекула. Обычно энергию связи измеряют в кДж/моль. Например, на разрыв связи H–H затрачивается 432,1 кДж/моль энергии.
Для многоатомных соединений с однотипными связями за энергию связи
принимается среднее ее значение, рассчитанное делением суммарной энергии данных связей на число связей. Так, на разрыв четырех связей в молекуле метана CH4 – 1648 кДж/∙моль и в этом случае EC–H = 1648 : 4 = 412 кДж/моль.
Длина связи – это расстоянию между ядрами взаимодействующих атомов в соединении. Измеряется в нанометрах (10–9 м). Иногда применяется Å (ангстрем = 10–8 см).
Полярность связи – это распределение электрического заряда между атомами, образовавшими химическую связь. Для определения полярности связи надо сравнить электоотрицательности атомов, участвовавших в образовании связи. Если электроотрицательности одинаковы, то связь будет неполярная, а в случае разных электроотрицательностей – полярной. Крайний случай полярной связи, когда общая электронная пара практически полностью смещена к более электроотрицательному элементу, приводит к ионной связи. Например, связи: Н–Н – неполярная, Н∂+–Сl∂– – полярная и Nа+–Сl– – ионная.
Смещение электронной пары к более электроотрицательному атому приводит к образованию диполя. Диполь – система из двух равных, но противоположных по знаку зарядов, находящихся по разным сторонам связи. Полярность связи является величиной векторной и направлена по оси диполя от отрицательного заряда к положительному.
Полярность молекулы – это векторная сумма дипольных моментов всех связей молекулы. Она определяется не только разностями электроотрицательностей атомов, образовавших молекулу, но и геометрией молекулы.
Таким образом, следует различать полярности отдельных связей и полярность молекулы в целом. Например:
молекула CO2 неполярна, так как дипольные моменты полярных связей С=О компенсируют друг друга вследствие того, что молекула линейна;
молекула воды Н2О полярна, так как дипольные моменты полярных связей Н–О не компенсируют друг друга вследствие того, что молекула
нелинейна.
Пространственное строение молекул – форма и расположение в пространстве электронных облаков, образовавших химические связи.
Порядок связи – это число химических связей между двумя атомами.
Чем выше порядок связи, тем прочнее связаны между собой атомы. Порядок связи выше трех не встречается. Например, порядок связи в молекулах H–Н, O=О и N≡N равен соответственно 1, 2 и 3.
Валентный угол – это угол между двумя химическими связями. Он отражает геометрию молекулы.
14.1.3 Типы химических связей Ковалентная связь – это связь между двумя атомами за счет образования общей электронной пары.
Ковалентная неполярная связь – эта связь между атомами с равной
электроотрицательностью. Например: Н2, О2, N2, Cl2 и т. д. Дипольный момент таких связей равен нулю.
Ковалентная полярная связь – эта связь между атомами с различной электроотрицательностью. Зона перекрывания электронных облаков смещается в сторону более электроотрицательного атома.
Например, Н–Cl (Нб+→Clб–).
Ковалентная связь обладает свойствами:
насыщаемости – способности атома образовывать количество химических связей, соответствующих его валентности;
направленности – перекрытие электронных облаков происходит в направлении обеспечивающем максимальную плотность перекрытия.
Ионная связь – это связь между противоположно заряженными ионами. Её можно рассматривать как крайний случай ковалентной полярной связи. Такая связь возникает при большой разнице электроотрицательностей атомов,
образующих химическую связь. Например, в молекуле NaF разница
электроотрицательностей составляет 4,0 – 0,93 = 3,07, что приводит к практически полному переходу электрона от натрия к фтору:
Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщаемости. В силу этого иoннaя связь не обладает направленностью и насыщаемостью.
Металлическая связь – это связь положительно заряженных ионов металла со свободными электронами.
Большинство металлов обладает рядом свойств, имеющих общий характер и отличающихся от свойств других веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло- и электропроводность. Это является следствием образования между атомами металлов особого вида связи – металлической связи.
У атомов металлов валентные электроны слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате этого в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы металла и «свободные» электроны, электростатическое взаимодействие которых обеспечивает химическую связь.
Водородная связь – это связь посредством атома водорода, связанного с высокоэлектроотрицательным элементом.
Атом водорода, связанный с высокоэлектроотрицательным элементом (фтором, кислородом, азотом и др.), отдает практически полностью электрон с валентной орбитали. Образовавшаяся свободная орбиталь может взаимодействовать с неподеленной парой электронов другого электроотрицательного атома, в результате возникает водородная связь. На примере молекул воды и уксусной кислоты водородная связь показана штриховыми линиями:
Эта связь значительно слабее других химических связей (энергия ее образования 10÷40 кДж/моль). Водородные связи могут возникать как между различными молекулами, так и внутри молекулы.
Исключительно важную роль водородная связь играет в таких неорганических веществах, как вода, плавиковая кислота, аммиак и т.д., а также в биологических макромолекулах.