Энергия связи

Важное значение имеет энергетическая характеристика химической связи. При образовании химической связи общая энергия системы (молекулы) меньше энергии составных частей (атомов), т.е. Е(AB)<Е(А)+Е(B).

Энергия связи – это энергия, которая выделяется при образовании молекулы из атомов. Энергию связи обычно выражают в кДж/моль (или ккал/моль). Это одна из важнейших характеристик химической связи. Более устойчива та система, которая содержит меньше энергии. Известно, например, что атомы водорода стремятся объединиться в молекулу. Это означает, что система, состоящая из молекул Н₂содержит меньше энергии, чем система, состоящая из такого же числа атомов Н, но не объединенных в молекулы.

Для двухатомных молекул энергия связи равна энергии диссоциации. Для многоатомных молекул с одним типом связи средняя энергия связи равна 1/n части распада молекулы на атомы. Энергия распада метана на атомы равна 1649 кДж/моль. В молекуле метана имеются четыре равноценные связи С-Н поэтому средняя энергия такой связи равна Ес-н = 1649/4 = 412 кДж/моль. оль.

Таблица 3 Длина и энергия разрыва связей

	d пм	E кДж/моль		d пм	E кДж/моль
C-H	109	416	C=O	116	695
C-F	138	485	O-H	96	467
C-Cl	176	327	O-O	148	146
C-Br	194	285	S-H	135	347
C-I	214	213	N-H	101	391
C-C	154	356	As-H	152	247
C=C	134	528
C≡C		813

При переходе от одинарной связи двойной и тройной (между одними и теми же атомами) энергия связи возрастает, однако связь укрепляется непропорцианально увеличению её кратности.

Таблица 3 показывает:

а)закономерное изменение энергии для однотипных связей(C-F>C-Cl>C-Br>C-I),

Б)что длина связи уменьшается с возрастанием порядка или кратности связи, а прочность увеличивается с уменьшением длины связи.

Металлическая связьвозникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

Химическая связь в твердых телах.Свойства твердых веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки и типом взаимодействия между ними.

Твердые аргон и метан образуют атомные и молекулярные кристаллы соответственно. Поскольку силы между атомами и молекулами в этих решетках относятся к типу слабых ван-дер-ваальсовых, такие вещества плавятся при довольно низких температурах. Большая часть веществ, которые при комнатной температуре находятся в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы.

Температуры плавления ионных кристаллов выше, чем атомных и молекулярных, поскольку электростатические силы, действующие между ионами, намного превышают слабые ван-дер-ваальсовы силы. Ионные соединения более твердые и хрупкие. Такие кристаллы образуются элементами с сильно различающимися электроотрицательностями (например, галогениды щелочных металлов). Ионные кристаллы, содержащие многоатомные ионы, имеют более низкие температуры плавления; так для NaCl t_пл.= 801 °C, а для NaNO₃t_пл= 306,5 °C.

Пример 1.Каким типом гибридизации АО бериллия описывается образование молекулы хлорида бериллия? Какова конфигурация этой молекулы?

Решение:

Возбужденный атом бериллия имеет конфигурацию 2s¹2p¹. Поэтому можно считать, что в образовании химических связей могут участвовать не одинаковые, а различные атомные орбитали. В молекуле BeCl₂должны быть неравноценные по прочности и направлению связи, причем σ-связи из p-орбиталей должны быть более прочными, чем связи из s-орбиталей, т.к. для p-орбиталей имеются более благоприятные условия для перекрывания. Однако опыт показывает, что в молекулах, содержащих центральные атомы с различными валентными орбиталями (s, p, d), все связи равноценны – это объясняет метод гибридизации. В данном случае имеет местоsp- гибридизация

При образовании молекулы одна s- и одна р-орбиталь образуют две гибридные sp-орбитали под углом 180^о.

sp-гибридные орбитали

Экспериментальные данные показывают, что все галогениды Be, а также Zn, Cd и Hg (II) линейны и обе связи имеют одинаковую длину.

Пример 2. Определите тип гибридизации орбиталей центрального атома в молекулеBF_3. Какова конфигурация этой молекулы?

Решение:

Возбуждённый атом бора имеет конфигурацию 2s¹2p².

В результате гибридизации одной s-орбитали и двух p-орбиталей образуются три гибридные sp²-орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120^одруг к другу.

sp²-гибридизация

Пример 3. Каким типом гибридизации АО азота описывается образование молекулы аммиака?

Решение:

В результате гибридизации 2sи трёх 2pорбиталей азота образуются четыре гибридные орбиталиsp ³ . Конфигурация молекулы представляет из себя искажённый тетраэдр, в котором три гибридных орбитали участвуют в образовании химической связи, а четвёртая с парой электронов – нет. Углы между связямиN-Hне равны 90 ^о как в пирамиде, но и не равны 109,5 ^о , соответствующие тетраэдру.

sp³- гибридизация в молекуле аммиака

При взаимодействии аммиака с ионом водорода в результате донорно-акцепторного взаимодействия образуется ион аммония, конфигурация которого представляет собой тетраэдр.

Пример 4.Объяснить с позиций метода МО возможность существования молекулярного иона Не₂⁺

Решение:

В молекулярном ионе Не₂ ⁺ имеется три электрона.На связывающей орбитали размещены два электрона,а на разрыхляющей –один. Следовательно кратность связи равна 0, и он должен быть энергетически устойчивым.

Пример 5.Определите энергию связи кислород-водород в молекуле Н₂О если энергия связи Н-Н и

О-О соответственно равны -435,9 и -498,7 кДж/моль а при сгорании 2 моль кислорода выделяется 483,68 кДж теплоты.

Решение:

Процесс образования молекулы воды можно представить следующим образом: рвутся связи водород-водород и кислород-кислород а образовавшиеся атомы соединяются в молекулы Н₂О каждая из которых содержит две связи кислород-водород:

4Н(г) = 2Н₂(г) – 435,9∙2

2О(г) = О₂(г) – 498,7

2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(г) - 483,68

----------------------------------------------------

4Н(г) + 2О(г) = 2Н₂О(г) - 1854,18 кДж

В двух молекулах Н₂О четыре связи кислород-водород; средняя энергия связи кислород – водород равна: -1854,18 / 4 = - 463,54 кДж/моль

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.Определите тип гибридизации орбиталей центрального атома в следующих молекулах и укажите геометрическую форму этих молекул:

AlBr₃, BeF₂, CF₄, BBr₃, H₂O, SF₆, SiCl₄, NH₃, CH₄, AlCl₃, BCl₃

Полярны ли эти молекулы?

2.Определите тип гибридизации орбиталей центрального атома в следующих частицах и укажите геометрическую форму этих частиц:

NH₄⁺, GaCl₄^-, H₃O⁺,BF₄^-, SiF₆^2-, AlF₆^3-, SO₄^2-, PO₄^3-.

3.Составьте энергетическую диаграмму МО для следующих частиц и определите порядок связи в них:

H₂,H₂⁺,H₂^-,He₂, HeH, He₂⁺, Li₂, Be₂, B₂, N₂, N₂⁺, O₂, O₂^-, O₂⁺, CO, CO⁺, NO, NO⁺, NO^-.

4. Пользуясь таблицей относительных электроотрицательностей, определите,какая из связей является наиболее полярной:Са-Н, I-C1.C-S.

5. В каком из приведенных соединений:LiF, BeF ,BF ,CF связь Э-F будет больше всего

приближаться к ковалентной?

6. Как изменяется прочность связи в ряду:НF-НСl-НВг-Н1?

7. При переходе от NaF к Nal температура плавления кристаллов уменьшается. Объясните наблюдаемый ход изменения температур плавления.

8. BaCl₂ в водных растворах -сильный электролит,a HgCl₂-слабый электролит. Объясните это различие в свойствах солей.

9. Сероводород при обычной температуре - газ, а вода- жидкость. Чем можно объяснить это различие в свойствах?