Chemical Bonding at Electronegativity: Mula sa mga Pinagsasaluhang Pares tungo sa mga Ionic Lattice

Kung bakit nabubuo ang bond: enerhiya laban sa distansya

Hindi nag-iinteract ang dalawang atom ng hydrogen na magkalayo. Habang naglalapit sila, naaakit ang bawat electron sa parehong nucleus, at bumababa ang enerhiya. Kapag lalo pang naglapit, malakas na nagtutulakan ang dalawang nucleus at tumataas ang enerhiya. Ang bond length ay ang distansya sa ilalim ng energy well na ito, 74 pm para sa H₂, at ang lalim ng well ay ang bond energy, 436 kJ/mol para sa H–H sa OpenStax Chemistry 2e Table 7.2.

Ang bawat bond ay balanse ng atraksyon at repulsion, kaya ang pagsira sa bond ay laging nangangailangan ng enerhiya at ang pagbuo nito ay laging naglalabas nito. Exothermic ang reaksyon kapag sa kabuuan ay mas malakas ang mga nabuong bond kaysa sa mga nasirang bond.

Electronegativity at ang scale mula covalent hanggang ionic

Sinusukat ng electronegativity kung gaano kalakas naaakit ng isang atom ang mga pinagsasaluhang electron sa isang bond. Ang scale ni Pauling ang pinakakaraniwan. Isa itong dimensionless at kinalkulang numero, hindi nasusukat na katangian. Sa OpenStax Figure 7.6, pinakamataas ang fluorine sa 4.0, sinusundan ng oxygen sa 3.5 at ng nitrogen at chlorine sa 3.0, at pinakamababa ang mga metal ng group 1, tulad ng sodium sa 0.9. Tumataas ang mga halaga sa kahabaan ng period at bumababa pababa sa group.

Ang pagkakaibang ΔEN sa pagitan ng dalawang magkabond na atom ay nagbibigay ng magaspang na uri ng bond. Ginagamit ng OpenStax ang mga gabay na hangganang ito: mas mababa sa 0.4, nonpolar covalent; 0.4 hanggang 1.8, polar covalent; mas mataas sa 1.8, ionic. Ang mas electronegative na atom ang may partial negative charge, δ−.

Mga gabay ang mga hangganan at may totoong mga eksepsyon. Ang HF ay may ΔEN = 1.9 ngunit isang covalent na molecule, at ang SiF₄, na may ΔEN = 2.2 para sa bawat Si–F bond, ay isang molecular na gas. Gamitin ang ΔEN para paghambingin ang mga bond, hindi para tiyak na iuri ang isang compound.

Halimbawang may solusyon: pagraranggo ng anim na bond ayon sa polarity

Iranggo ang B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl at K–Br mula sa pinakakaunti hanggang sa pinakapolar, gamit ang mas lumang mga halaga ni Pauling sa OpenStax Figure 7.6: H 2.1, B 2.0, C 2.5, N 3.0, O 3.5, Al 1.5, P 2.1, Cl 3.0, Br 2.8 at K 0.8.

Ang mga pagkakaiba ay B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 at K–Br 2.0, na siyang ranggo. Dalawang resulta ang ikinagugulat ng maraming estudyante. Sa B–H, ang hydrogen ang negatibong dulo, dahil mas mababa ang electronegativity ng boron kaysa sa hydrogen. At nasa ionic na saklaw ang K–Br, na tugma sa pagiging ionic solid ng potassium bromide, habang ang Al–Cl ay malapit sa tuktok ng saklaw ng polar covalent; inilalarawan ang aluminum chloride bilang ionic sa ilang phase at molecular sa iba.

Mga dipole moment at percent ionic character

Ang polar na bond ay may dipole moment na μ = Qr, ang laki ng pinaghiwalay na karga na pinarami sa distansya sa pagitan ng mga karga. Karaniwang ibinibigay ang mga dipole moment sa debye: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. Kung ang buong karga ng isang electron, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ay inilipat nang 1 Å, ang dipole moment ay magiging 4.803 D. Ang paghahambing sa nasukat na μ sa ganap na ionic na halagang ito ay nagbibigay ng tinatayang percent ionic character, (μ nasukat / μ ganap na ionic) × 100.

Halimbawang may solusyon 1. Inililista ng NIST Chemistry WebBook, para sa H³⁵Cl sa gas phase, ang μ = 1.1085 D at equilibrium bond length na 1.27455 Å. Ang ganap na ionic na H⁺Cl⁻ sa distansyang iyon ay magkakaroon ng μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D. Ang percent ionic character ay 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. Para sa HF, gamit ang mga halaga ng WebBook na μ = 1.82618 D at r = 0.91680 Å, ang ganap na ionic na halaga ay 4.404 D at ang ionic character ay 41.5%.

Tugma ang ranggo sa ΔEN (0.9 para sa HCl, 1.9 para sa HF), ngunit ipinapakita ng mga numero kung gaano kalayo kahit ang malaking ΔEN sa ganap na paglilipat ng karga. Mas malapit ang HF sa covalent na dulo kaysa sa ipinahihiwatig ng ΔEN nito lamang.

Lattice energy at batas ni Coulomb

Ang ionic solid ay pinagsasama-sama ng atraksyon sa pagitan ng bawat cation at bawat anion sa crystal. Ang lattice energy nito ay ang enerhiyang kailangan para paghiwalayin ang isang mole ng solid tungo sa mga gaseous na ion. Tinutukoy ito ng OpenStax bilang positibo, ngunit ginagamit ng ilang textbook ang kabaligtarang proseso at nagbibigay ng mga negatibong halaga, kaya suriin muna ang kumbensyon sa tanda.

Ayon sa batas ni Coulomb, lumalakas ang atraksyon kasabay ng product ng mga karga ng ion at humihina habang lumalaki ang distansya sa pagitan ng mga ion. Karaniwang nangingibabaw ang karga. Inililista ng OpenStax Section 7.5 ang LiF sa 1023 kJ/mol at ang MgO, na ang mga ion ay may kargang 2+ at 2−, sa 3900 kJ/mol, halos apat na beses na mas malaki. Sumunod na mahalaga ang laki: ang MgF₂ ay 2957 kJ/mol at ang MgI₂ ay 2327 kJ/mol, dahil pinananatiling mas magkalayo ng mas malaking iodide ion ang mga karga.

Halimbawang may solusyon: Born–Haber cycle para sa sodium chloride

Hindi direktang masusukat ang mga lattice energy, kaya hinahanap ang mga ito gamit ang cycle ng batas ni Hess. Buuin ang NaCl(s) mula sa mga elemento nito sa isang hindi direktang ruta na nasusukat ang lahat ng hakbang, saka hingin na magbigay ang rutang iyon ng parehong kabuuan gaya ng direktang reaksyon ng formation.

Halimbawang may solusyon 2. Gamitin ang mga hakbang na ito. I-sublime ang sodium, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, ang ΔH°f ng Na(g) mula sa OpenStax Appendix G. Gumawa ng mga atom ng chlorine, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, ang ΔH°f ng Cl(g). I-ionize ang sodium, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, mula sa halaga ng NIST na 5.1391 eV. Magdagdag ng electron sa chlorine, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, mula sa electron affinity na 3.6131 eV sa NIST Chemistry WebBook. Sa huli, ang Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) ay naglalabas ng lattice energy, U.

Ang kabuuang reaksyon ay Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), na may ΔH°f = −411.2 kJ/mol. Kaya 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, na nagbibigay ng U = 787.2 kJ/mol. Pansinin na mas malaki ang enerhiyang kailangan ng ionization kaysa sa ibinabalik ng electron affinity. Kung wala ang malaking lattice energy, hindi magiging exothermic ang pagbuo ng NaCl mula sa mga elemento nito. Nagkakaiba nang ilang porsyento ang mga nalathalang lattice energy para sa NaCl depende sa datos at paraang ginamit (769 kJ ang sinisipi ng OpenStax), kaya paghambingin ang mga trend sa halip na ang mga huling digit.

Pagtatantiya ng enthalpy ng reaksyon mula sa mga bond energy

Para sa mga reaksyon sa gas phase, matatantiya mo ang ΔH sa pagbibilang ng mga bond: ΔH ≈ Σ(enerhiya ng mga nasirang bond) − Σ(enerhiya ng mga nabuong bond). Mga average sa maraming molecule ang mga nakatalang bond energy, kaya pagtatantiya lang ang resulta at maaaring malayo nang sampu-sampung kilojoule sa halagang mula sa mga formation enthalpy.

Halimbawang may solusyon 3. Tantiyahin ang ΔH para sa C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g). Nananatili ang apat na C–H bond ng ethylene, kaya balewalain ang mga ito. Nasira: isang C=C (611 kJ/mol) at isang H–H (436 kJ/mol), 1047 kJ sa kabuuan. Nabuo: isang C–C (345 kJ/mol) at dalawang bagong C–H (2 × 415 kJ/mol), 1175 kJ sa kabuuan. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. Ang halaga mula sa formation enthalpy, mula sa Appendix G, ay −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Tama ang tanda ng pagtatantiya at nasa loob ito ng mga 6%.

Mga maling akala sa bonding na dapat iwasan

Karamihan sa mga error ay galing sa pagturing sa mga magaspang na gabay bilang eksaktong tuntunin o sa paghahalo ng mga kumbensyon sa tanda. Ito ang mga pinakakaraniwan.

• Pagturing sa ΔEN = 1.8 bilang matalas na hangganan sa pagitan ng covalent at ionic. Tuloy-tuloy ang scale, at sinisira ng mga compound tulad ng HF at SiF₄ ang tuntunin.
• Pagkalito sa electronegativity at electron affinity. Ang electron affinity ay nasukat na enerhiya para sa isang gaseous na atom; inilalarawan ng electronegativity ang atom sa isang bond.
• Pag-aakalang ang mas electronegative na atom ay laging ang nonmetal na inaasahan mo. Suriin ang table: sa mga bond na B–H at Si–H, ang hydrogen ang negatibong dulo.
• Pagbabaligtad sa formula ng bond energy. Ito ay mga nasirang bond binawasan ng mga nabuong bond, kabaligtarang pagkakasunod-sunod ng formula ng formation enthalpy.
• Paghahalo ng mga kumbensyon sa tanda ng lattice energy sa loob ng iisang Born–Haber cycle.
• Pagbibilang sa double bond bilang dalawang single bond. Ang C=C bond (611 kJ/mol) ay mas mahina kaysa sa dalawang C–C bond (690 kJ/mol).