Длина связей — таблицы электронного справочника по химии, содержащие Длина связей

Тема №3 «Характеристики химических связей» | CHEM-MIND.com

Учение о химической связи составляет основу всей теоретической химии. Под химической связью понимают такое взаимодействие атомов, которое связывает их в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы. Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную. Различные типы связей могут содержаться в одних и тех же веществах.

1. В основаниях: между атомами кислорода и водорода в гидроксогруппах связь полярная ковалентная, а между металлом и гидроксогруппой — ионная.

2. В солях кислородсодержащих кислот: между атомом неметалла и кислородом кислотного остатка — ковалентная полярная, а между металлом и кислотным остатком — ионная.

3. В солях аммония, метиламмония и т. д. между атомами азота и водорода — ковалентная полярная, а между ионами аммония или метиламмония и кислотным остатком — ионная.

4. В пероксидах металлов (например, Na2O2) связь между атомами кислорода ковалентная неполярная, а между металлом и кислородом — ионная и т. д.

Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая химическая природа — электронно-ядерное взаимодействие. Образование химической связи в любом случае представляет собой результат электронно-ядерного взаимодействия атомов, сопровождающегося выделением энергии.

Способы образования ковалентной связи

Ковалентная химическая связь — это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.

Ковалентные соединения – обычно газы, жидкости или сравнитель­но низкоплавкие твердые вещества. Одним из редких исключений явля­ется алмаз, который плавится выше 3 500 °С.

Это объясняется строением алмаза, который представляет собой сплошную решетку ковалентно связанных атомов углерода, а не совокупность отдельных молекул. Фак­тически любой кристалл алмаза, независимо от его размера, представля­ет собой одну огромную молекулу.

Ковалентная связь возникает при объединении электронов двух атомов неметаллов. Возникшая при этом структура называется молекулой.

Механизм образования такой связи может быть обменный и донорно-акцепторный.

В молекуле хлороводорода, например, электроны, образующие ковалентную связь, располагаются ближе к атому хлора, поскольку его электроотрицательность выше, чем у водорода. Однако разница в способности притягивать электроны не столь велика, чтобы произошел полный перенос электрона с атома водо­рода на атом хлора.

Поэтому связь между атомами водорода и хлора можно рассматривать как нечто среднее между ионной связью (полный перенос электрона) и неполярной ковалентной связью (симмет­ричное расположение пары электронов между двумя атомами). Частич­ный заряд на атомах обозначается греческой буквой δ.

Такая связь называется полярной ковалентной связью, а о молеку­ле хлороводорода говорят, что она полярна, т. е. имеет положительно заряженный конец (атом водорода) и отрицательно заряженный конец (атом хлора).

1. Обменный механизм действует, когда атомы образуют общие электронные пары за счет объединения неспаренных электронов.

1) Н2 — водород.

Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары s-электронами атомов водорода (перекрыванию s-орбиталей).

2) HCl — хлороводород.

Связь возникает за счет образования общей электронной пары из s- и р-электронов (перекрывания s-р-орбиталей).

3) Cl2: В молекуле хлора ковалентная связь образуется за счет непарных р-электронов (перекрывание р-р-орбиталей).

4) N2: В молекуле азота между атомами образуются три общие электронные пары.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи

Донор имеет электронную пару, акцептор — свободную орбиталь, которую эта пара может занять.

В ионе аммония все четыре связи с атомами водорода ковалентные: три образовались благодаря созданию общих электронных пар атомом азота и атомами водорода по обменному механизму, одна — по донорно-акцепторному механизму.

Ковалентные связи классифицируют по способу перекрывания электронных орбиталей, а также по смещению их к одному из связанных атомов. Химические связи, образующиеся в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи, называются σ-связями (сигма-связями). Сигма-связь очень прочная.

р-орбитали могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь за счет бокового перекрывания.

Химические связи, образующиеся в результате «бокового» перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т. е. в двух областях, называются пи-связями.

По степени смещенности общих электронных пар к одному из связанных ими атомов ковалентная связь может быть полярной и неполярной.

Ковалентную химическую связь, образующуюся между атомами с одинаковой электроотрицательностью, называют неполярной. Электронные пары не смещены ни к одному из атомов, т. к.

т. е. посредством ковалентной неполярной связи об­разованы молекулы простых веществ-неметаллов. Ковалентную химическую связь между атома­ми элементов, электроотрицательности которых различаются, называют полярной.

Например, NH3 — аммиак. Азот более электро­отрицательный элемент, чем водород, поэтому об­щие электронные пары смещаются к его атому.

Характеристики ковалентной связи: длина и энергия связи

Характерные свойства ковалентной связи — ее длина и энергия. Длина связи — это расстояние между ядрами атомов. Химическая связь тем проч­нее, чем меньше ее длина.

Однако мерой прочности связи является энергия связи, которая определяет­ся количеством энергии, необходимой для разрыва связи. Обычно она измеряется в кДж/моль.

Так, согласно опытным данным, длины связи молекул H2, Cl2 и N2 соответственно составляют 0,074, 0,198 и 0,109 нм, а энергии связи соответственно равны 436, 242 и 946 кДж/моль.

Ионы. Ионная связь

Для атома существует две основные возможности подчиниться прави­лу октета. Первая из них — образование ионной связи. (Вторая — образова­ние ковалентной связи, о ней речь пойдет ниже). При образовании ион­ной связи атом металла теряет электроны, а атом неметалла приобретает.

Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла I группы и атом неметалла VII группы. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон,  а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершенным.

Первый атом легко отдаст второму свой далекий от ядра и слабо связанный с ним электрон, а второй предоставит ему свободное место на своем внешнем электронном уровне.

Тогда атом, лишенный одного своего отрицательного заряда, станет положительно заряженной частицей, а второй превратится в отрицательно заряженную частицу благодаря полученному электрону. Такие частицы называются ионами.

Ионная связь — это химическая связь, возникающая между ионами. Цифры, показывающие число атомов или молекул, называются коэффициентами, а цифры, показывающие число атомов или ионов в молекуле, называют индексами.

Металлическая связь

Металлы обладают специфическими свойствами,  отличающимися от свойств других веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способ­ность к отражению света, высокая тепло- и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи — металлической связи.

Металлическая связь — связь между положительными иона­ми в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. Атомы большинства металлов на внешнем уровне содержат небольшое число электронов — 1, 2, 3.

Эти электроны легко отрываются, и атомы при этом превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому, связывая их в единое целое. Соединяясь с ионами, эти электроны образуют временно атомы, потом снова отрываются и соединяются уже с другим ионом и т. д.

Бесконечно происходит процесс, который схематически можно изобразить так:

Однако при ковалентной связи обобществлены внешние непарные электроны только двух соседних атомов, в то время как при металлической связи в обобществлении этих электронов принимают участие все атомы.

Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупкие, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск.

Металлическая связь характерна как для чи­стых металлов, так и для смесей различных ме­таллов — сплавов, находящихся в твердом и жид­ком состояниях.

Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью (например, парами натрия заполняют лам­пы желтого света для освещения улиц больших городов).

Пары металлов состоят из отдельных мо­лекул (одноатомных и двухатомных).

Металлическая связь отличается от ковалентной также и по прочности: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи. Энергия связи — энергия, необходимая для разрыва хими­ческой связи во всех молекулах, составляющих один моль ве­щества. Энергии ковалентных и ионных связей обычно велики и составляют величины порядка 100-800 кДж/моль.

Водородная связь

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов, имеющих наподеленные электронные пары (F, O, N и реже S и Cl), другой молекулы (или ее части) называют водородной. Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер.

Примеры межмолекулярной водородной связи:

При наличии такой связи даже низкомолекулярные вещества могут быть при обычных условиях жидкостями (спирт, вода) или легко сжижающимися газами (аммиак, фтороводород). В биополимерах — белках (вторичная структура) — имеется внутримолекулярная водородная связь между карбонильным кислородом и водородом аминогруппы:

Молекулы полинуклеотидов — ДНК (дезокси­рибонуклеиновая кислота) — представляют собой двойные спирали, в которых две цепи нуклеотидов связаны друг с другом водородными связями.

При этом действует принцип комплементарности, т. е.

эти связи образуются между определенными пара­ми, состоящими из пуринового и пиримидиново­го оснований: против аденинового нуклеотида (А) располагается тиминовый (Т), а против гуанинового (Г) — цитозиновый (Ц).

Вещества с водородной связью имеют молеку­лярные кристаллические решетки.

Правило Октета

Электронная конфигурация атома особенно стабильна (иными словами, имеет минимальный запас энергии, что всегда предпочтитель­но), когда внешняя электронная оболочка заполнена. Поэтому атомы склонны к таким превращениям, в результате которых во внешнем слое оказывается „магическое” число электронов — восемь.

Исключение составляют атомы первых двух элементов периодической системы, для которых предпочтительно образование двухэлектронной внешней оболочки.
Модели атомов инертных газовПравило октета объясняет, почему инертные газы (группа VIIIA) гелий, неон и аргон обычно не вступают в химические реакции.

Их внешняя электронная оболочка уже заполнена, следовательно нет необ­ходимости во взаимодействии с другими атомами с целью принять, отдать или объединить электроны. Элементы 3—7-го периодов также обычно подчиняются правилу октета (т. е. склонны к заполнению s- и р-орбиталей, хотя могут иметься d- и f-орбитали).

Согласно правилу октета большинство атомов склонно прини­мать, отдавать или объединять электроны с тем, чтобы создать восьмиэлектронную внешнюю оболочку.

Определение типа связи

По электроотрицательности можно узнать тип связи: Разность электроотрицательностей элементов в соединении (ΔX) позволит судить о типе химической связи. Если величина Δ X = 0  –  связь ковалентная неполярная.

При разности электроотрицательностей до 2,0 связь называют ковалентной полярной, например: связь H—F в молекуле фтороводорода HF: Δ X = (3,98 – 2,20) = 1,78 Связи с разностью электроотрицательностей больше 2,0 считаются ионными.

Например: связь Na—Cl в соединении NaCl: Δ X = (3,16 – 0,93) = 2,23.

Шпаргалка

Химическая связь

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева Таблица растворимости

Длина химической связи

Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 4. Химическая связь / Длина химической связи

Длины химической  связи  были определены  экспериментально для огромного числа молекул.

В большинстве случаев — чем больше энергия связи, тем меньше  длина связи

Энергии связей для молекул NaF, NaCl и NaBr из таблицы 4.2 составляют  476 кДж/моль, 412 кДж/моль и 368 кДж/моль соответственно. Длины химических связей в этих соединениях будут соответственно 1.9 Å, 2.3 Å и 2.

5 Å. В этом случае, зависимость между энергией связи и длиной   выражается ожидаемой закономерностью: чем сильнее связь, тем она короче; чем сильнее атомы притягиваются друг к другу, тем короче расстояние между ними.

Аналогично, энергии связей Li-Li, Na-Na, K-K составляют 110 кДж/моль, 72 кДж/моль и 49 кДж/моль, тогда как длины химических связей Li-Li, Na-Na, K-K равны 2.7 Å, 3.08 Å, и 3.9 Å соответственно. Энергия одинарной связи C-C составляет 347 кДж/моль, в то время как ее длина равна 1.54 Å, т.е. меньше, чем длина связи Li -Li, энергия которой равна 110 кДж/моль.

Однако, для некоторых молекул (таблица 4.2) эта ожидаемая  зависимость меняется на противоположную (парадоксальную) зависимость, что требует объяснения ПОЧЕМУ:

Согласно экспериментальным данным энергии связей C-C, Cl-Cl и F-F составляют 347 кДж/моль, 239 кДж/моль и 158 кДж/моль, тогда так длины связей в ряду C-C, Cl-Cl, F-F составляют 1.54 Å, 2 Å и 1.4 Å соответственно. Сначала длина химической связи увеличивается, а затем уменьшается.

Эта аномалия не является случайностью. На рисунке 4.4-1 мы видим определенные экспериментально зависимости длин одинарных связей от ПЭИ для элементов 2-го и 3-его периодов.

Кривая на рисунке 4.4-1 показывает, что длина одинарных связей в молекулах типа Li2-F2 и Na2 — Cl2 уменьшаются с увеличением ПЭИ связываемых атомов. 

Согласно экспериментальным данным, длины химических связей уменьшались с ростом ПЭИ связываемых атомов. То есть, парадоксальная зависимость, отмеченная выше, не была случайностью.

Такое простое умозаключение: чем сильнее связь, тем ближе атомы друг к другу оказалось несостоятельным для зависимостей, которые были определены экспериментально.

Зависимости, полученные экспериментальным путем, качественным образом противоречат основным принципам теории образования химических связей.

Рисунок 4.4-1
Зависимость длины химической связи в молекуле Х-Х от ЭИ атома Х для второго и третьего периодов (1- расчетный ряд и экспериментальные данные —  для 2 и 3 периода)

Расчеты на основании системы уравнений 4.3-3 и 4.3-4 показывают, что  зависимость длины химической связи от ПЭИ, также как и в эксперименте, выражается гиперболой.

В соответствии с вычислениями, сделанными посредством тех же уравнений, где зависимость энергии связи от ПЭИ связываемых атомов является параболой.

Следовательно, рассматриваемые зависимости энергии связи и ее длины от ПЭИ (которые, на первый взгляд, казались парадоксальными по отношению друг к другу и к теории) в результате их полуколичественной оценки на основании решения системы уравнений (более фундаментальный подход со второго взгляда) совпали.

На рисунке 4.4-1 представлены три кривые зависимости длины химической связи от энергии ионизации.  Все три кривые являются гиперболами, хотя и сильно отличаются по абсолютным значениям.

В чем же объяснение?

Сильное различие в абсолютных величинах имеет простое объяснение. Как уже указывалось, в ходе вычислений предполагалось, что атомы X в молекуле (X-X) подобны водороду, то есть, они имеют только один электрон, вращающийся в одном единственном слое. В действительности атомы всех периодов (кроме 1-го — водорода и гелия) содержат внутренние электронные слои.

С другой стороны, может быть не понятно то, как образуются молекулы вида HF, HCl (где атомы водорода связаны с атомами других периодов). Аномальные свойства молекулы H-X давно известны в химии. В рамках данной модели они объяснены в книге «XXI век. Общая химия».

 Принципы образования связи в многоэлектронных атомах >>

Потенциал ионизации и энергия связи в двухатомных молекулах >>

Энергия связи >>

Длина связи >>

G-теория химической связи >>  

Правило валентности >>

Донорно-акцепторная связь >>

Ван-дер-ваальсовая связь >>

Изомеризация. Динамическая связь >>

Основы стереохимии >>