Химиялык байланыш жана электр терсдик: жалпы жуптардан иондук кристаллдык торлорго чейин

Байланыш эмне үчүн пайда болот: энергия жана аралык

Бири-биринен алыс турган эки суутек атому өз ара аракеттенбейт. Алар жакындаганда ар бир электрон эки ядрого тең тартылат, жана энергия төмөндөйт. Андан да жакындаганда эки ядро бири-бирин күчтүү түртөт, жана энергия жогорулайт. Байланыштын узундугу — бул энергетикалык чуңкурдун түбүндөгү аралык, H₂ үчүн 74 pm, ал эми чуңкурдун тереңдиги — байланыш энергиясы, OpenStax Chemistry 2e 7.2-таблицасы боюнча H–H үчүн 436 kJ/mol.

Ар бир байланыш — тартылуу менен түртүлүүнүн тең салмагы, ошондуктан байланышты үзүү ар дайым энергия талап кылат, ал эми аны түзүү ар дайым энергия бөлүп чыгарат. Пайда болгон байланыштар жалпысынан үзүлгөн байланыштарга караганда күчтүүрөөк болгондо реакция экзотермиялык болот.

Электр терсдик жана коваленттен иондукка чейинки шкала

Электр терсдик атом байланыштагы жалпы электрондорду канчалык күчтүү тартарын өлчөйт. Полинг шкаласы эң кеңири колдонулат. Бул өлчөнгөн касиет эмес, өлчөмсүз, эсептелген сан. OpenStax 7.6-сүрөтүндө эң жогорку маани фтордо, 4.0, андан кийин кычкылтек 3.5 жана азот менен хлор 3.0, ал эми эң төмөнкүсү 1-топтун металлдарында, мисалы натрий 0.9. Маанилер мезгил боюнча өсөт жана топ боюнча ылдый азаят.

Байланышкан эки атомдун ортосундагы ΔEN айырмасы байланыштын түрүн болжол менен берет. OpenStax төмөнкү шарттуу чектерди колдонот: 0.4 төн төмөн — полярсыз ковалент; 0.4 төн 1.8 ге чейин — полярдуу ковалент; 1.8 ден жогору — иондук. Көбүрөөк электр терс атом жарым-жартылай терс заряд, δ−, алып жүрөт.

Бул чектер чыныгы өзгөчөлүктөрү бар шарттуу көрсөтмөлөр. HF тин ΔEN = 1.9, бирок ал ковалент молекула, ал эми ар бир Si–F байланышы үчүн ΔEN = 2.2 болгон SiF₄ — молекулалык газ. ΔEN ди кошулманы так классификациялоо үчүн эмес, байланыштарды салыштыруу үчүн колдонуңуз.

Чыгарылган мисал: алты байланышты полярдуулугу боюнча иреттөө

OpenStax 7.6-сүрөтүндөгү Полингдин эски маанилерин колдонуп, B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl жана K–Br байланыштарын эң аз полярдуудан эң көп полярдууга карай иреттеңиз: 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 жана K 0.8.

Айырмалар: B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 жана K–Br 2.0, бул иреттин өзү. Эки натыйжа көптөгөн окуучуларды таң калтырат. B–H те суутек терс учу болот, анткени бордун электр терсдиги суутектикинен төмөн. Ал эми K–Br иондук аралыкка түшөт, бул калий бромидинин иондук катуу зат экенине дал келет, ал эми Al–Cl полярдуу ковалент аралыгынын жогорку четине жакын турат; алюминий хлориди айрым фазаларда иондук, башкаларында молекулалык деп сүрөттөлөт.

Дипол моменттери жана иондук мүнөздүн пайызы

Полярдуу байланыштын дипол моменти μ = Qr, бөлүнгөн заряддын чоңдугунун заряддардын ортосундагы аралыкка көбөйтүндүсү. Дипол моменттери адатта дебай менен берилет: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. Эгер электрондун толук заряды, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, 1 Å аралыкка жылдырылса, дипол моменти 4.803 D болмок. Өлчөнгөн μ ну бул толук иондук маани менен салыштыруу иондук мүнөздүн болжолдуу пайызын берет: (өлчөнгөн μ / толук иондук μ) × 100.

Чыгарылган 1-мисал. NIST Chemistry WebBook газ фазасындагы H³⁵Cl үчүн μ = 1.1085 D жана тең салмактуулуктагы байланыш узундугун 1.27455 Å деп берет. Ошол аралыктагы толук иондук H⁺Cl⁻ дин μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D болмок. Иондук мүнөздүн пайызы 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. HF үчүн, WebBook маанилери μ = 1.82618 D жана r = 0.91680 Å менен, толук иондук маани 4.404 D, ал эми иондук мүнөз 41.5%.

Бул иреттөө ΔEN менен дал келет (HCl үчүн 0.9, HF үчүн 1.9), бирок сандар чоң ΔEN да заряддын толук өтүшүнөн канчалык алыс экенин көрсөтөт. HF жалгыз ΔEN сунуштагандан ковалент учуна жакыныраак.

Кристаллдык тордун энергиясы жана Кулон мыйзамы

Иондук катуу затты кристаллдагы ар бир катион менен ар бир аниондун ортосундагы тартылуу кармап турат. Анын кристаллдык тордун энергиясы — бир моль катуу затты газ абалындагы иондорго ажыратууга керектүү энергия. OpenStax аны оң деп аныктайт, бирок айрым окуу китептери тескери процессти колдонуп, терс маанилерди берет, ошондуктан адегенде белги макулдашуусун текшериңиз.

Кулон мыйзамы боюнча тартылуу иондордун заряддарынын көбөйтүндүсү менен өсөт жана иондордун ортосундагы аралык чоңойгон сайын азаят. Адатта заряд басымдуулук кылат. OpenStax 7.5-бөлүмү LiF ти 1023 kJ/mol, ал эми иондорунун заряддары 2+ жана 2− болгон MgO ну 3900 kJ/mol деп берет, бул дээрлик төрт эсе чоң. Андан кийин өлчөм маанилүү: MgF₂ 2957 kJ/mol, ал эми MgI₂ 2327 kJ/mol, анткени чоңураак иодид иону заряддарды алысыраак кармайт.

Чыгарылган мисал: натрий хлориди үчүн Борн–Габер цикли

Кристаллдык тордун энергияларын түздөн-түз өлчөөгө болбойт, ошондуктан алар Гесс мыйзамынын цикли менен табылат. NaCl(s) ду анын элементтеринен бардык кадамдары өлчөнө турган кыйыр жол менен түзүңүз, андан кийин ал жол түздөн-түз пайда болуу реакциясы менен бирдей жалпы маанини бериши керек деп талап кылыңыз.

Чыгарылган 2-мисал. Төмөнкү кадамдарды колдонуңуз. Натрийди сублимациялоо, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, OpenStax G тиркемесиндеги Na(g) нын ΔH°f мааниси. Хлор атомдорун алуу, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, Cl(g) дин ΔH°f мааниси. Натрийди иондоштуруу, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, NIST тин 5.1391 eV маанисинен. Хлорго электрон кошуу, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, NIST Chemistry WebBook тагы 3.6131 eV электронго умтулуудан. Акырында Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) кристаллдык тордун энергиясын, U, бөлүп чыгарат.

Жалпы реакция Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), ΔH°f = −411.2 kJ/mol. Демек, 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, бул U = 787.2 kJ/mol берет. Иондоштуруу электронго умтулуу кайтарып бергенден көбүрөөк энергия талап кыларына көңүл буруңуз. Чоң кристаллдык тор энергиясы болбосо, NaCl дын элементтеринен пайда болушу экзотермиялык болмок эмес. NaCl үчүн жарыяланган кристаллдык тор энергиялары колдонулган маалыматтарга жана ыкмага жараша бир нече пайызга айырмаланат (OpenStax 769 kJ келтирет), ошондуктан акыркы цифраларды эмес, тенденцияларды салыштырыңыз.

Байланыш энергияларынан реакция энтальпиясын баалоо

Газ фазасындагы реакциялар үчүн ΔH ты байланыштарды саноо менен баалай аласыз: ΔH ≈ Σ(үзүлгөн байланыштардын энергиялары) − Σ(пайда болгон байланыштардын энергиялары). Таблицадагы байланыш энергиялары көптөгөн молекулалар боюнча орточо маанилер, ошондуктан натыйжа баалоо гана жана пайда болуу энтальпияларынан алынган маанини ондогон килоджоулга өткөрүп жибериши мүмкүн.

Чыгарылган 3-мисал. C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) үчүн ΔH ты баалаңыз. Этилендин төрт C–H байланышы сакталат, ошондуктан аларды эске албаңыз. Үзүлөт: бир C=C (611 kJ/mol) жана бир H–H (436 kJ/mol), бардыгы 1047 kJ. Пайда болот: бир C–C (345 kJ/mol) жана эки жаңы C–H (2 × 415 kJ/mol), бардыгы 1175 kJ. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. G тиркемесиндеги пайда болуу энтальпияларынан алынган маани −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Баалоонун белгиси туура жана ал болжол менен 6% чегинде.

Байланыш боюнча болтурбоо керек болгон туура эмес түшүнүктөр

Каталардын көбү болжолдуу көрсөтмөлөрдү так эрежелер катары кароодон же белги макулдашууларын аралаштыруудан келип чыгат. Эң кеңири таралгандары төмөнкүлөр.

• ΔEN = 1.8 ди ковалент менен иондуктун ортосундагы так чек катары кароо. Шкала үзгүлтүксүз, ал эми HF жана SiF₄ сыяктуу кошулмалар эрежени бузат.
• Электр терсдикти электронго умтулуу менен чаташтыруу. Электронго умтулуу — газ абалындагы атом үчүн өлчөнгөн энергия; электр терсдик байланыштагы атомду сүрөттөйт.
• Көбүрөөк электр терс атом ар дайым сиз күткөн бейметалл болот деп ойлоо. Таблицаны текшериңиз: B–H жана Si–H байланыштарында суутек терс учу болот.
• Байланыш энергиясы формуласын тескери колдонуу. Ал үзүлгөн байланыштар минус пайда болгон байланыштар, пайда болуу энтальпиясы формуласына карама-каршы тартипте.
• Бир Борн–Габер циклинин ичинде кристаллдык тор энергиясынын белги макулдашууларын аралаштыруу.
• Кош байланышты эки жөнөкөй байланыш катары саноо. C=C байланышы (611 kJ/mol) эки C–C байланышынан (690 kJ/mol) алсызыраак.