6. Химическая связь. Строение молекулы

При решении задач, касающихся вопросов химической связи и строения молекул, необходимо из раздела «Строение атома и Периодическая система Д.И. Менделеева» знать следующее: электронные семейства элементов, электронные формулы атомов элементов, валентные электроны, ковалентность атомов в нормальном и возбуждённом состоянии, правило Гунда, электроотрицательность; из раздела «Химическая связь и строение молекул»: типы химической связи, метод валентных связей, направленность и насыщаемость химической связи, гибридиза­цию связи, электрический момент диполя, метод молекулярных орбиталей, крат­ность связи, σ- и π- связи, длину связи, энергию связи [1 – 6].

6.1. Основные характеристики химической связи – длина связи, энергия связи

Вычисление длины связи (межъядерного расстояния).

Приближённо длину ковалентной связи в молекуле АВ, полученной в ре­зультате реакции А₁ + B₂ = 2 АВ, можно рассчитать по формуле

, (1)

где d_А–В – длина связи в молекуле АВ; d_А–А и d_В–В – длины связей в молекулах А₂ и В₂.

Пример 1. Рассчитайте длину связи в молекуле НСl , если длина связей в молекулах Н₂ и Сl₂ соответственно равна 0,74 · 10^–10 и 1,99 · 10^–10 м (приложение, табл. П2).

Решение. Образование молекулы НСl из Н₂ и Сl₂ протекает по уравне­нию Н₂ + Сl₂ = 2НС1, т.е. разрушаются связи Н–Н и С1–С1 и образуется новая связь H–CI, длину которой можно рассчитать по формуле (1)

м.

Ответ: 1,365 · 10^–10 м.

Энергию связи можно определить с помощью термохимических расчётов, используя закон Гесса.

Энергия связи характеризует ее прочность. Энергия образования химиче­ской связи всегда положительна (Q_p-ции > 0; ΔН < 0), а энергия разрыва (диссоциа­ции) связи по величине та же, но имеет противоположный знак (Q_p-ции < 0; ΔН > 0), т.е. отрицательный. Зная энергию связи в молекулах простых веществ, можно рассчитать энергию связи между атомами в сложных молекулах, так как тепловой эффект (изменение энтальпии) реакции складывается из энергии, затраченной на разрыв связей в молекулах простых веществ, и энергии, выделившейся при обра­зовании новых связей в молекулах сложного вещества.

Пример 2. Рассчитайте энергию связи N–H в молекуле NН₃, используя уравнение N₂ + ЗН₂ = 2NH₃ + 92 кДж (Q_p-ции). Энергия связи (ΔН) в молекулах N₂ и Н₂ равна соответственно – 942 и – 436 кДж/моль (приложение, табл. П3).

Решение. Согласно вышеприведённому уравнению, две молекулы аммиака образуются из одной молекулы азота и трех молекул водорода. Сначала происхо­дит разрыв связей в исходных молекулах. Получившиеся два атома азота и шесть атомов водорода соединяются, образуя две молекулы аммиака, каждая из которых содержит три связи азот-водород. Составляем термохимические уравнения этих процессов:

N₂ = 2N – 942, кДж ( ) – энергия разрыва связей в молекуле N₂ ;

3Н₂ = 6Н – (3 · 436 = 1308), кДж (Q_p-ции2) – энергия разрыва связей в трёх

молекулах Н₂;

2N + 6Н = 2NH₃ + О_р-ции3, кДж – энергия образования связей а двух мо­лекулах NH₃.

После сложения получаем

N₂ +3H₂ =2NH₃ + ( Q_p-ции1 + Q_p-ции2 + Q_p-ции3), кДж.

По закону Гесса Q_p-ции = Q_p-ции1 + Q_p-ции2 + Q_p-ции3 или Q_p-ции3 = Q_p-ции – Q_p-ции2 – Q_p-ции1 = 92 + 942 + 1308 = 2342 кДж. В двух молекулах аммиака 6 связей N–H. Поэтому средняя энергия связи N–H равна 2342 : 6 = = 390,3 кДж/моль.

Ответ: Q_св = 390,3 кДж/моль; ΔН_св. = – 390,3 кДж/моль.