Химиялық байланыс және электртерістік: ортақ жұптардан иондық торларға дейін

Байланыс неге түзіледі: энергияның қашықтыққа тәуелділігі

Бір-бірінен алыс тұрған екі сутек атомы әрекеттеспейді. Олар жақындаған сайын әр электрон екі ядроға да тартылады, және энергия төмендейді. Одан әрі жақындағанда екі ядро бір-бірін қатты тебеді де, энергия артады. Байланыс ұзындығы — осы энергетикалық шұңқырдың түбіндегі қашықтық, H₂ үшін 74 pm, ал шұңқырдың тереңдігі — байланыс энергиясы, OpenStax Chemistry 2e 7.2-кестесінде H–H үшін 436 kJ/mol.

Әр байланыс тартылыс пен тебілудің тепе-теңдігі, сондықтан байланысты үзу әрқашан энергия жұмсауды қажет етеді, ал оны түзу әрқашан энергия бөледі. Түзілген байланыстар жалпы алғанда үзілген байланыстардан берігірек болса, реакция экзотермиялық болады.

Электртерістік және ковалентті-иондық шкала

Электртерістік атомның байланыстағы ортақ электрондарды қаншалықты күшті тартатынын өлшейді. Ең кең таралғаны — Полинг шкаласы. Бұл өлшенетін қасиет емес, өлшемсіз, есептелген сан. OpenStax 7.6-суретінде ең жоғары мән фторда, 4.0, одан кейін оттек, 3.5, және азот пен хлор, 3.0, ал ең төменгі мәндер 1-топ металдарында, мысалы натрий 0.9. Мәндер период бойымен артады және топ бойымен төмен қарай кемиді.

Байланысқан екі атом арасындағы ΔEN айырмасы байланыс түрін шамамен көрсетеді. OpenStax мына бағдарлық шекараларды қолданады: 0.4-тен төмен — полюссіз ковалентті; 0.4-тен 1.8-ге дейін — полярлы ковалентті; 1.8-ден жоғары — иондық. Электртерістігі жоғарырақ атом жартылай теріс заряд, δ−, тасиды.

Шекаралар — нақты ерекшеліктері бар бағдарлар. HF үшін ΔEN = 1.9, бірақ ол ковалентті молекула, ал әр Si–F байланысы үшін ΔEN = 2.2 болатын SiF₄ — молекулалық газ. ΔEN-ді қосылысты сеніммен жіктеу үшін емес, байланыстарды салыстыру үшін қолданыңыз.

Шешілген мысал: алты байланысты полярлығы бойынша реттеу

OpenStax 7.6-суретіндегі ескі Полинг мәндерін қолданып, B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl және K–Br байланыстарын ең аз полярлыдан ең полярлыға қарай реттеңіз: 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 және K 0.8.

Айырмалар: B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 және K–Br 2.0, бұл реттің өзі. Екі нәтиже көптеген оқушыларды таңғалдырады. B–H байланысында теріс ұшы — сутек, өйткені бордың электртерістігі сутектікінен төмен. Ал K–Br иондық аралыққа түседі, бұл калий бромидінің иондық қатты зат екеніне сәйкес келеді, ал Al–Cl полярлы ковалентті аралықтың жоғарғы шетіне жақын; алюминий хлориді кейбір фазаларда иондық, ал басқаларында молекулалық деп сипатталады.

Дипольдік моменттер және иондық сипаттың пайызы

Полярлы байланыстың дипольдік моменті μ = Qr, яғни бөлінген заряд шамасының зарядтар арасындағы қашықтыққа көбейтіндісі. Дипольдік моменттер әдетте дебаймен беріледі: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. Егер электронның толық заряды, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, 1 Å қашықтыққа ауыстырылса, дипольдік момент 4.803 D болар еді. Өлшенген μ мәнін осы толық иондық мәнмен салыстыру иондық сипаттың шамамен пайызын береді: (өлшенген μ / толық иондық μ) × 100.

1-шешілген мысал. NIST Chemistry WebBook газ фазасындағы H³⁵Cl үшін μ = 1.1085 D және тепе-тең байланыс ұзындығын 1.27455 Å деп көрсетеді. Осы қашықтықтағы толық иондық H⁺Cl⁻ үшін μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D болар еді. Иондық сипаттың пайызы 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. WebBook мәндері μ = 1.82618 D және r = 0.91680 Å болатын HF үшін толық иондық мән 4.404 D, ал иондық сипат 41.5%.

Бұл рет ΔEN-мен сәйкес келеді (HCl үшін 0.9, HF үшін 1.9), бірақ сандар тіпті үлкен ΔEN-нің өзі зарядтың толық ауысуынан қаншалықты алыс екенін көрсетеді. HF тек оның ΔEN мәні болжайтыннан гөрі ковалентті ұшқа жақынырақ.

Кристалдық тор энергиясы және Кулон заңы

Иондық қатты затты кристалдағы әр катион мен әр анион арасындағы тартылыс ұстап тұрады. Оның кристалдық тор энергиясы — қатты заттың бір мольін газ тәрізді иондарға бөлуге қажет энергия. OpenStax оны оң шама ретінде анықтайды, бірақ кейбір оқулықтар кері процесті алып, теріс мәндер береді, сондықтан алдымен таңба келісімін тексеріңіз.

Кулон заңы бойынша тартылыс ион зарядтарының көбейтіндісімен бірге артады және иондар арасындағы қашықтық артқан сайын кемиді. Әдетте заряд басым болады. OpenStax 7.5-бөлімінде LiF үшін 1023 kJ/mol, ал иондарының заряды 2+ және 2− болатын MgO үшін 3900 kJ/mol көрсетілген, бұл шамамен төрт есе үлкен. Одан кейін өлшем маңызды: MgF₂ 2957 kJ/mol, ал MgI₂ 2327 kJ/mol, өйткені үлкенірек иодид ионы зарядтарды бір-бірінен алысырақ ұстайды.

Шешілген мысал: натрий хлориді үшін Борн–Габер циклі

Кристалдық тор энергияларын тікелей өлшеу мүмкін емес, сондықтан оларды Гесс заңы циклі арқылы табады. NaCl(s) затын элементтерінен барлық қадамдары өлшенетін жанама жолмен құрыңыз, содан кейін бұл жол тікелей түзілу реакциясымен бірдей қосынды беруін талап етіңіз.

2-шешілген мысал. Мына қадамдарды қолданыңыз. Натрийді сублимациялау, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, бұл OpenStax G қосымшасындағы Na(g) үшін ΔH°f. Хлор атомдарын алу, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, бұл Cl(g) үшін ΔH°f. Натрийді иондау, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, NIST келтірген 5.1391 eV мәнінен. Хлорға электрон қосу, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, NIST Chemistry WebBook-тегі 3.6131 eV электронға тектестіктен. Соңында Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) кристалдық тор энергиясын, U, бөледі.

Жалпы реакция Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), ΔH°f = −411.2 kJ/mol. Сонда 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, бұдан U = 787.2 kJ/mol. Иондауға электронға тектестік қайтаратыннан көп энергия жұмсалатынын байқаңыз. Үлкен кристалдық тор энергиясы болмаса, NaCl-дың элементтерінен түзілуі экзотермиялық болмас еді. NaCl үшін жарияланған кристалдық тор энергиялары қолданылған деректер мен әдіске қарай бірнеше пайызға ерекшеленеді (OpenStax 769 kJ келтіреді), сондықтан соңғы цифрларды емес, заңдылықтарды салыстырыңыз.

Байланыс энергияларынан реакция энтальпиясын бағалау

Газ фазасындағы реакциялар үшін ΔH-ты байланыстарды санау арқылы бағалауға болады: ΔH ≈ Σ(үзілген байланыстардың энергиялары) − Σ(түзілген байланыстардың энергиялары). Кестелік байланыс энергиялары көптеген молекулалар бойынша орташа мәндер, сондықтан нәтиже тек бағалау және түзілу энтальпияларынан алынған мәннен ондаған килоджоульге ауытқуы мүмкін.

3-шешілген мысал. C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) үшін ΔH бағалаңыз. Этиленнің төрт C–H байланысы сақталады, сондықтан оларды ескермеңіз. Үзілгені: бір C=C (611 kJ/mol) және бір H–H (436 kJ/mol), барлығы 1047 kJ. Түзілгені: бір C–C (345 kJ/mol) және екі жаңа C–H (2 × 415 kJ/mol), барлығы 1175 kJ. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. G қосымшасынан алынған түзілу энтальпиясы мәні −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Бағалаудың таңбасы дұрыс және ол шамамен 6% шегінде.

Байланыс туралы аулақ болу керек қате түсініктер

Қателердің көбі шамамен алынған бағдарларды нақты ережелер деп санаудан немесе таңба келісімдерін араластырудан туындайды. Ең жиі кездесетіндері мыналар.

• ΔEN = 1.8 мәнін ковалентті мен иондықтың арасындағы айқын шекара деп санау. Шкала үздіксіз, ал HF және SiF₄ сияқты қосылыстар бұл ережені бұзады.
• Электртерістікті электронға тектестікпен шатастыру. Электронға тектестік — газ тәрізді атом үшін өлшенетін энергия; электртерістік байланыстағы атомды сипаттайды.
• Электртерістігі жоғарырақ атом әрқашан сіз күткен бейметалл деп болжау. Кестені тексеріңіз: B–H және Si–H байланыстарында теріс ұшы — сутек.
• Байланыс энергиясы формуласын керісінше қолдану. Ол — үзілген байланыстар минус түзілген байланыстар, түзілу энтальпиясы формуласына қарама-қарсы рет.
• Бір Борн–Габер циклі ішінде кристалдық тор энергиясының таңба келісімдерін араластыру.
• Қос байланысты екі дара байланыс ретінде санау. C=C байланысы (611 kJ/mol) екі C–C байланысынан (690 kJ/mol) әлсіз.