ქიმიური ბმა და ელექტროუარყოფითობა: საერთო წყვილებიდან იონურ მესრებამდე

რატომ წარმოიქმნება ბმა: ენერგია მანძილის მიმართ

ერთმანეთისგან შორს მყოფი წყალბადის ორი ატომი ურთიერთქმედებაში არ შედის. მიახლოებისას თითოეულ ელექტრონს ორივე ბირთვი იზიდავს და ენერგია მცირდება. კიდევ უფრო ახლოს ორი ბირთვი ერთმანეთს ძლიერად განიზიდავს და ენერგია იზრდება. ბმის სიგრძე ამ ენერგეტიკული ორმოს ფსკერის შესაბამისი მანძილია, H₂-ისთვის 74 pm, ორმოს სიღრმე კი ბმის ენერგიაა, H–H-ისთვის 436 kJ/mol OpenStax Chemistry 2e-ის ცხრილი 7.2-ის მიხედვით.

ყოველი ბმა მიზიდვისა და განზიდვის ბალანსია, ამიტომ ბმის გაწყვეტა ყოველთვის ენერგიას მოითხოვს, მისი წარმოქმნა კი ყოველთვის ენერგიას გამოყოფს. რეაქცია ეგზოთერმულია, როცა წარმოქმნილი ბმები ჯამში გაწყვეტილ ბმებზე ძლიერია.

ელექტროუარყოფითობა და კოვალენტურიდან იონურამდე შკალა

ელექტროუარყოფითობა გამოხატავს, რამდენად ძლიერად იზიდავს ატომი ბმაში გაზიარებულ ელექტრონებს. ყველაზე გავრცელებულია პოლინგის შკალა. ეს უგანზომილებო, გამოთვლილი რიცხვია და არა გაზომილი თვისება. OpenStax-ის ნახაზ 7.6-ში ყველაზე მაღალი ფტორს აქვს, 4.0, შემდეგ მოდის ჟანგბადი 3.5-ით და აზოტი და ქლორი 3.0-ით, ხოლო ყველაზე დაბალი 1-ლი ჯგუფის ლითონებს აქვთ, მაგალითად, ნატრიუმს 0.9. მნიშვნელობები პერიოდში იზრდება და ჯგუფში ქვემოთ მცირდება.

ორ ბმულ ატომს შორის სხვაობა ΔEN ბმის ტიპის მიახლოებით შეფასებას იძლევა. OpenStax ამ საორიენტაციო ზღვრებს იყენებს: 0.4-ზე ნაკლები, არაპოლარული კოვალენტური; 0.4-დან 1.8-მდე, პოლარული კოვალენტური; 1.8-ზე მეტი, იონური. უფრო ელექტროუარყოფით ატომს აქვს ნაწილობრივი უარყოფითი მუხტი, δ−.

ზღვრები საორიენტაციოა და ნამდვილი გამონაკლისები აქვს. HF-ს აქვს ΔEN = 1.9, მაგრამ კოვალენტური მოლეკულაა, ხოლო SiF₄, თითოეული Si–F ბმისთვის ΔEN = 2.2-ით, მოლეკულური აირია. ΔEN გამოიყენეთ ბმების შესადარებლად და არა ნაერთის დარწმუნებით კლასიფიკაციისთვის.

გადაწყვეტილი მაგალითი: ექვსი ბმის რანჟირება პოლარობის მიხედვით

დაალაგეთ B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl და K–Br ყველაზე ნაკლებ პოლარულიდან ყველაზე პოლარულამდე, OpenStax-ის ნახაზ 7.6-ში მოცემული პოლინგის ძველი მნიშვნელობებით: 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 და K 0.8.

სხვაობებია B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 და K–Br 2.0, რაც რანჟირებასაც იძლევა. ორი შედეგი ბევრ სტუდენტს აკვირვებს. B–H-ში წყალბადი უარყოფითი ბოლოა, რადგან ბორი წყალბადზე ნაკლებად ელექტროუარყოფითია. K–Br კი იონურ დიაპაზონში ხვდება, რაც ეთანხმება იმას, რომ კალიუმის ბრომიდი იონური მყარი ნივთიერებაა, მაშინ როცა Al–Cl პოლარული კოვალენტური დიაპაზონის ზედა ზღვართან ახლოსაა; ალუმინის ქლორიდი ზოგ ფაზაში იონურად არის აღწერილი, ზოგში კი მოლეკულურად.

დიპოლური მომენტები და იონურობის პროცენტული ხარისხი

პოლარულ ბმას აქვს დიპოლური მომენტი μ = Qr, განცალკევებული მუხტის სიდიდე გამრავლებული მუხტებს შორის მანძილზე. დიპოლური მომენტები ჩვეულებრივ დებაებში მოიცემა: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. ელექტრონის სრული მუხტი, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, რომ 1 Å-ით გადაადგილდეს, დიპოლური მომენტი იქნებოდა 4.803 D. გაზომილი μ-ის შედარება ამ სრულად იონურ მნიშვნელობასთან იძლევა იონურობის მიახლოებით პროცენტულ ხარისხს, (μ გაზომილი / μ სრულად იონური) × 100.

გადაწყვეტილი მაგალითი 1. NIST Chemistry WebBook აირფაზური H³⁵Cl-ისთვის იძლევა μ = 1.1085 D-ს და ბმის წონასწორულ სიგრძეს 1.27455 Å. სრულად იონურ H⁺Cl⁻-ს ამ მანძილზე ექნებოდა μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D. იონურობის პროცენტული ხარისხია 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. HF-ისთვის, WebBook-ის მნიშვნელობებით μ = 1.82618 D და r = 0.91680 Å, სრულად იონური მნიშვნელობაა 4.404 D, იონურობის ხარისხი კი 41.5%.

რანჟირება ეთანხმება ΔEN-ს (0.9 HCl-ისთვის, 1.9 HF-ისთვის), მაგრამ რიცხვები აჩვენებს, რამდენად შორსაა დიდი ΔEN-იც კი მუხტის სრული გადატანისგან. HF კოვალენტურ ბოლოსთან უფრო ახლოსაა, ვიდრე მხოლოდ მისი ΔEN მიანიშნებს.

მესრის ენერგია და კულონის კანონი

იონურ მყარ ნივთიერებას კრისტალში ყოველ კათიონსა და ყოველ ანიონს შორის მიზიდვა აკავებს. მისი მესრის ენერგია არის ენერგია, რომელიც საჭიროა მყარი ნივთიერების ერთი მოლის აირად იონებად დასაშლელად. OpenStax მას დადებითად განსაზღვრავს, მაგრამ ზოგი სახელმძღვანელო საპირისპირო პროცესს იყენებს და უარყოფით მნიშვნელობებს იძლევა, ამიტომ ჯერ ნიშნის შეთანხმება შეამოწმეთ.

კულონის კანონის თანახმად, მიზიდვა იზრდება იონების მუხტების ნამრავლთან ერთად და მცირდება იონებს შორის მანძილის ზრდასთან ერთად. როგორც წესი, მუხტი დომინირებს. OpenStax-ის ნაწილი 7.5 LiF-ისთვის იძლევა 1023 kJ/mol-ს, MgO-სთვის კი, რომლის იონებს 2+ და 2− მუხტები აქვს, 3900 kJ/mol-ს, თითქმის ოთხჯერ მეტს. შემდეგ ზომა მოქმედებს: MgF₂ 2957 kJ/mol-ია, MgI₂ კი 2327 kJ/mol, რადგან უფრო დიდი იოდიდის იონი მუხტებს ერთმანეთისგან უფრო შორს აკავებს.

გადაწყვეტილი მაგალითი: ბორნ–ჰაბერის ციკლი ნატრიუმის ქლორიდისთვის

მესრის ენერგიების პირდაპირ გაზომვა შეუძლებელია, ამიტომ მათ ჰესის კანონის ციკლით პოულობენ. ააგეთ NaCl(s) მისი ელემენტებისგან ირიბი გზით, რომლის ყველა საფეხური გაზომვადია, შემდეგ მოითხოვეთ, რომ ამ გზამ იგივე ჯამი მოგცეთ, რაც პირდაპირმა წარმოქმნის რეაქციამ.

გადაწყვეტილი მაგალითი 2. გამოიყენეთ ეს საფეხურები. ნატრიუმის სუბლიმაცია, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, Na(g)-ის ΔH°f OpenStax-ის დანართი G-დან. ქლორის ატომების მიღება, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, Cl(g)-ის ΔH°f. ნატრიუმის იონიზაცია, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, NIST-ის 5.1391 eV მნიშვნელობიდან. ქლორზე ელექტრონის მიერთება, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, NIST Chemistry WebBook-ში მოცემული 3.6131 eV ელექტრონთმიერთების ენერგიიდან. ბოლოს, Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) გამოყოფს მესრის ენერგიას, U.

ჯამური რეაქციაა Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), ΔH°f = −411.2 kJ/mol-ით. მაშასადამე, 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, საიდანაც U = 787.2 kJ/mol. შენიშნეთ, რომ იონიზაცია მეტ ენერგიას მოითხოვს, ვიდრე ელექტრონთმიერთება აბრუნებს. მესრის დიდი ენერგიის გარეშე NaCl-ის წარმოქმნა ელემენტებისგან ეგზოთერმული არ იქნებოდა. NaCl-ის გამოქვეყნებული მესრის ენერგიები რამდენიმე პროცენტით განსხვავდება გამოყენებული მონაცემებისა და მეთოდის მიხედვით (OpenStax 769 kJ-ს მოიყვანს), ამიტომ ტენდენციები შეადარეთ და არა ბოლო ციფრები.

რეაქციის ენთალპიის შეფასება ბმის ენერგიებით

აირფაზური რეაქციებისთვის ΔH შეგიძლიათ ბმების დათვლით შეაფასოთ: ΔH ≈ Σ(გაწყვეტილი ბმების ენერგიები) − Σ(წარმოქმნილი ბმების ენერგიები). ცხრილური ბმის ენერგიები მრავალი მოლეკულის საშუალოა, ამიტომ შედეგი მხოლოდ შეფასებაა და წარმოქმნის ენთალპიებიდან მიღებულ მნიშვნელობას ათეულობით კილოჯოულით შეიძლება ასცდეს.

გადაწყვეტილი მაგალითი 3. შეაფასეთ ΔH C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g)-ისთვის. ეთილენის ოთხი C–H ბმა უცვლელი რჩება, ამიტომ ისინი უგულებელყავით. გაწყვეტილი: ერთი C=C (611 kJ/mol) და ერთი H–H (436 kJ/mol), სულ 1047 kJ. წარმოქმნილი: ერთი C–C (345 kJ/mol) და ორი ახალი C–H (2 × 415 kJ/mol), სულ 1175 kJ. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. წარმოქმნის ენთალპიებით მიღებული მნიშვნელობა, დანართი G-დან, არის −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. შეფასებას სწორი ნიშანი აქვს და დაახლოებით 6%-ის ფარგლებშია.

ბმასთან დაკავშირებული მცდარი წარმოდგენები, რომლებსაც უნდა მოერიდოთ

შეცდომების უმეტესობა მიახლოებითი სახელმძღვანელო პრინციპების ზუსტ წესებად მიჩნევიდან ან ნიშნის შეთანხმებების აღრევიდან მოდის. ყველაზე გავრცელებული ესენია.

• ΔEN = 1.8-ის კოვალენტურსა და იონურს შორის მკვეთრ ზღვრად მიჩნევა. შკალა უწყვეტია, ხოლო ისეთი ნაერთები, როგორიცაა HF და SiF₄, წესს არღვევს.
• ელექტროუარყოფითობის აღრევა ელექტრონთმიერთების ენერგიასთან. ელექტრონთმიერთების ენერგია აირადი ატომისთვის გაზომილი ენერგიაა; ელექტროუარყოფითობა ბმაში მყოფ ატომს აღწერს.
• იმის დაშვება, რომ უფრო ელექტროუარყოფითი ატომი ყოველთვის ის არალითონია, რომელსაც მოელით. შეამოწმეთ ცხრილი: B–H და Si–H ბმებში უარყოფითი ბოლო წყალბადია.
• ბმის ენერგიის ფორმულის შებრუნება. ეს არის გაწყვეტილი ბმები მინუს წარმოქმნილი ბმები, წარმოქმნის ენთალპიის ფორმულის საპირისპირო თანმიმდევრობით.
• მესრის ენერგიის ნიშნის შეთანხმებების აღრევა ერთი ბორნ–ჰაბერის ციკლის შიგნით.
• ორმაგი ბმის ორ ერთმაგ ბმად ჩათვლა. C=C ბმა (611 kJ/mol) ორ C–C ბმაზე (690 kJ/mol) სუსტია.