3.3. Основные характеристики химической связи

Основными характеристиками химической связи являются длина, валентные углы, энергия, дипольный момент.

Под длиной связи А∙∙∙В понимают расстояние между атомами (межъядерное расстояние), отвечающее устойчивому состоянию молекулы. Грубая оценка длины связи А∙∙∙В может быть проведена на основе соотношения:

если известны межатомные расстояния в молекулах А₂ и В₂.

Закономерное изменение атомных и ионных радиусов в таблице Менделеева ведет к закономерному изменению длин связей, например (длины связей выражены в пм):

H2	F2	Cl2	Br2	I2
74	142	199	222	276

 

S2	Se2	Te2
192	219	259

 

H–O	H–S	H–Se	H–Te
97	133	147	167

 

Для данного типа связи при сохранении валентности элемента длина связи примерно сохраняется, например:

О–Н в Н₂О 97 пм

Н₂О₂ 97 пм

НСООН 96 пм

Рост кратности связи ведёт к её укорочению, например:

С–С 154 пм

С=С 134 пм

С≡С 120 пм

Под энергией связи (энтальпией связи) подразумевают энергию разрыва 1 моль данной связи до состояния атомов, при этом атомы разводятся на бесконечно большое расстояние. Например:

СО(г) = С(г) + О(г); DН⁰₂₉₈ = 1068 кДж/моль = DН⁰_связи;

Н₂(г) = 2Н(г); DН⁰ = DН⁰_связи = DН⁰_{дисс. Н2 на атомы} = DН⁰_{атомизации}

Под средней энергией (энтальпией) связи А∙∙∙В в молекуле АВ_n понимают 1/n часть энергии разрыва всех связей А∙∙∙В в 1 моль соединения АВ_n, при этом атомы разводятся на бесконечно большое расстояние. Например:

NH₃(г) = N(г) + 3H(г); DН⁰₂₉₈ = 1155 кДж/моль;

DН⁰_{ср. N–H} = 1155/3 = 385 кДж/моль связи

Вычисление энтальпий связей производят на основе закона Гесса. Энтальпии связей закономерно изменяются в соответствии с таблицей Менделеева, например:

N–H O–H F–H

385 464 565 кДж/моль связи

 

O₂ S₂ Se₂

494 427 272 кДж/моль связи

Рост кратности связи ведёт к увеличению энтальпии связи, например:

С–С С=С С≡С

343 612 815 кДж/моль связи

Дипольный момент связи (m) представляет собой произведение эффективного заряда атома на межъядерное расстояние:

Дипольный момент связи – векторная величина. Дипольный момент молекулы равен сумме векторов дипольных моментов связей, входящих в молекулу, с учётом неподелённых электронных пар. Наиболее часто дипольные моменты измеряют в Дебаях (D), 1 D = 3,3×10^–30 Кл×м. Дипольные моменты молекул закономерно изменяются в соответствии с таблицей Менделеева, например:

NH₃ PH₃ AsH₃

1,48 0,58 0,13 D

 

CsF CsCl CsI

7,9 10,4 12,1 D

Следует подчеркнуть, что в большинстве случаев эффективный заряд атома и межъядерное расстояние в подгруппах изменяются в противоположных направлениях и трудно выделить доминирующий компонент. Так, в первом приведенном примере эффективный заряд в подгруппе падает энергичнее, чем нарастает радиус атома, а во втором примере – наоборот. Чем симметричнее молекула, тем меньше у неё дипольный момент. Симметричные молекулы (CO₂; BCl₃; CCl₄; PCl₅; SF₆) неполярны и имеют m=0.

Валентные углы связей определяют экспериментально. Познакомимся с несколькими приближёнными методами теоретического описания геометрии молекул.