Kimyoviy bog' va elektrmanfiylik: umumiy juftlardan ion panjaralarigacha

Bog' nima uchun hosil bo'ladi: energiya va masofa

Bir-biridan uzoqdagi ikki vodorod atomi o'zaro ta'sirlashmaydi. Ular yaqinlashgan sari har bir elektron ikkala yadroga tortiladi va energiya kamayadi. Undan ham yaqinlashganda ikki yadro bir-birini kuchli itaradi va energiya ortadi. Bog' uzunligi — shu energiya chuqurining tubidagi masofa, H₂ uchun 74 pm, chuqurning chuqurligi esa bog' energiyasi, OpenStax Chemistry 2e ning 7.2-jadvaliga ko'ra H–H uchun 436 kJ/mol.

Har bir bog' tortilish va itarilish muvozanati, shuning uchun bog'ni uzish har doim energiya talab qiladi, uni hosil qilish esa har doim energiya ajratadi. Hosil bo'lgan bog'lar umuman olganda uzilgan bog'lardan kuchliroq bo'lsa, reaksiya ekzotermik bo'ladi.

Elektrmanfiylik va kovalentdan ionga qadar shkala

Elektrmanfiylik atom bog'dagi umumiy elektronlarni qanchalik kuchli tortishini o'lchaydi. Poling shkalasi eng keng tarqalgan. Bu o'lchovsiz, hisoblangan son, o'lchanadigan xossa emas. OpenStax ning 7.6-rasmida ftor eng yuqori, 4.0, undan keyin kislorod 3.5, azot va xlor 3.0, 1-guruh metallari esa eng past, masalan natriy 0.9. Qiymatlar davr bo'ylab ortadi va guruh bo'ylab pastga kamayadi.

Bog'langan ikki atom orasidagi ΔEN farqi bog' turini taxminan ko'rsatadi. OpenStax quyidagi yo'naltiruvchi chegaralardan foydalanadi: 0.4 dan kichik — qutbsiz kovalent; 0.4 dan 1.8 gacha — qutbli kovalent; 1.8 dan katta — ion bog'. Elektrmanfiyroq atom qisman manfiy zaryad δ− ni oladi.

Chegaralar haqiqiy istisnolarga ega yo'naltiruvchi qoidalardir. HF da ΔEN = 1.9, lekin u kovalent molekula, har bir Si–F bog'i uchun ΔEN = 2.2 bo'lgan SiF₄ esa molekulyar gaz. ΔEN dan bog'larni taqqoslash uchun foydalaning, birikmani ishonch bilan tasniflash uchun emas.

Yechilgan misol: oltita bog'ni qutbliligi bo'yicha tartiblash

OpenStax ning 7.6-rasmidagi eski Poling qiymatlaridan foydalanib, B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl va K–Br ni eng kam qutblidan eng qutbligacha tartiblang: 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 va K 0.8.

Farqlar B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 va K–Br 2.0, bu tartibning o'zi. Ikki natija ko'p o'quvchilarni hayron qoldiradi. B–H da vodorod manfiy uch, chunki bor vodoroddan kamroq elektrmanfiy. K–Br esa ion bog' oralig'iga tushadi, bu kaliy bromidning ion qattiq jism ekaniga mos, Al–Cl esa qutbli kovalent oraliqning yuqori qismiga yaqin turadi; alyuminiy xlorid ba'zi fazalarda ionli, boshqalarida molekulyar deb tavsiflanadi.

Dipol momentlari va ionlik darajasi foizi

Qutbli bog' μ = Qr dipol momentiga ega, ya'ni ajralgan zaryad kattaligining zaryadlar orasidagi masofaga ko'paytmasi. Dipol momentlari odatda debaylarda beriladi: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. Agar elektronning to'liq zaryadi, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, 1 Å masofaga ko'chirilganda, dipol momenti 4.803 D bo'lardi. O'lchangan μ ni shu to'liq ionli qiymat bilan taqqoslash ionlik darajasining taxminiy foizini beradi: (μ o'lchangan / μ to'liq ionli) × 100.

1-yechilgan misol. NIST Chemistry WebBook gaz fazasidagi H³⁵Cl uchun μ = 1.1085 D va muvozanat bog' uzunligini 1.27455 Å deb keltiradi. Shu masofadagi to'liq ionli H⁺Cl⁻ ning μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D bo'lardi. Ionlik darajasi foizi 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. WebBook qiymatlari μ = 1.82618 D va r = 0.91680 Å bo'lgan HF uchun to'liq ionli qiymat 4.404 D, ionlik darajasi esa 41.5%.

Tartib ΔEN ga mos keladi (HCl uchun 0.9, HF uchun 1.9), lekin sonlar katta ΔEN ham zaryadning to'liq o'tishidan qanchalik uzoq ekanini ko'rsatadi. HF faqat ΔEN ga qaraganda kutilganidan ko'ra kovalent uchga yaqinroq.

Kristall panjara energiyasi va Kulon qonuni

Ion qattiq jism kristalldagi har bir kation va har bir anion orasidagi tortilish tufayli birga turadi. Uning kristall panjara energiyasi — bir mol qattiq moddani gazsimon ionlarga ajratish uchun kerakli energiya. OpenStax uni musbat deb ta'riflaydi, lekin ba'zi darsliklar teskari jarayondan foydalanib manfiy qiymatlar beradi, shuning uchun avval ishora kelishuvini tekshiring.

Kulon qonuniga ko'ra, tortilish ion zaryadlari ko'paytmasi bilan ortadi va ionlar orasidagi masofa ortishi bilan kamayadi. Odatda zaryad ustunlik qiladi. OpenStax ning 7.5 bo'limida LiF 1023 kJ/mol, ionlari 2+ va 2− zaryadli MgO esa 3900 kJ/mol, ya'ni deyarli to'rt marta katta deb keltirilgan. Keyin o'lcham ahamiyatli: MgF₂ 2957 kJ/mol, MgI₂ esa 2327 kJ/mol, chunki kattaroq yodid ioni zaryadlarni bir-biridan uzoqroq tutadi.

Yechilgan misol: natriy xlorid uchun Born–Gaber sikli

Kristall panjara energiyalarini bevosita o'lchab bo'lmaydi, shuning uchun ular Gess qonuni sikli yordamida topiladi. NaCl(s) ni elementlaridan barcha bosqichlari o'lchanadigan aylanma yo'l bilan quring, so'ng bu yo'l bevosita hosil bo'lish reaksiyasi bilan bir xil umumiy natijani berishini talab qiling.

2-yechilgan misol. Quyidagi bosqichlardan foydalaning. Natriyni sublimatlash, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, OpenStax G ilovasidagi Na(g) ning ΔH°f i. Xlor atomlarini hosil qilish, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, Cl(g) ning ΔH°f i. Natriyni ionlash, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, NIST ning 5.1391 eV qiymatidan. Xlorga elektron qo'shish, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, NIST Chemistry WebBook dagi 3.6131 eV elektronga moyillikdan. Nihoyat, Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) kristall panjara energiyasi U ni ajratadi.

Umumiy reaksiya Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), ΔH°f = −411.2 kJ/mol. Demak, 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, bundan U = 787.2 kJ/mol. E'tibor bering, ionlanish elektronga moyillik qaytaradigandan ko'proq energiya talab qiladi. Katta kristall panjara energiyasi bo'lmaganda, NaCl ning elementlaridan hosil bo'lishi ekzotermik bo'lmas edi. NaCl uchun e'lon qilingan kristall panjara energiyalari ishlatilgan ma'lumotlar va usulga qarab bir necha foizga farq qiladi (OpenStax 769 kJ ni keltiradi), shuning uchun oxirgi raqamlarni emas, tendensiyalarni taqqoslang.

Bog' energiyalaridan reaksiya entalpiyasini baholash

Gaz fazasidagi reaksiyalar uchun ΔH ni bog'larni sanab baholash mumkin: ΔH ≈ Σ(uzilgan bog'lar energiyalari) − Σ(hosil bo'lgan bog'lar energiyalari). Jadvaldagi bog' energiyalari ko'plab molekulalar bo'yicha o'rtacha qiymatlar, shuning uchun natija faqat baho bo'lib, hosil bo'lish entalpiyalaridan olingan qiymatdan o'nlab kilojoulga farq qilishi mumkin.

3-yechilgan misol. C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) uchun ΔH ni baholang. Etilenning to'rtta C–H bog'i saqlanib qoladi, shuning uchun ularni e'tiborga olmang. Uziladi: bitta C=C (611 kJ/mol) va bitta H–H (436 kJ/mol), jami 1047 kJ. Hosil bo'ladi: bitta C–C (345 kJ/mol) va ikkita yangi C–H (2 × 415 kJ/mol), jami 1175 kJ. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. G ilovasidagi hosil bo'lish entalpiyalaridan olingan qiymat −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Bahoning ishorasi to'g'ri va u taxminan 6% aniqlik doirasida.

Bog'lanish haqidagi noto'g'ri tasavvurlardan saqlaning

Ko'pchilik xatolar taxminiy yo'l-yo'riqlarni aniq qoidalar deb hisoblashdan yoki ishora kelishuvlarini aralashtirishdan kelib chiqadi. Eng keng tarqalganlari quyidagilar.

• ΔEN = 1.8 ni kovalent va ion bog' orasidagi keskin chegara deb hisoblash. Shkala uzluksiz va HF hamda SiF₄ kabi birikmalar bu qoidani buzadi.
• Elektrmanfiylikni elektronga moyillik bilan chalkashtirish. Elektronga moyillik gazsimon atom uchun o'lchanadigan energiya; elektrmanfiylik esa bog'dagi atomni tavsiflaydi.
• Elektrmanfiyroq atom har doim siz kutgan nometall deb faraz qilish. Jadvalni tekshiring: B–H va Si–H bog'larida vodorod manfiy uch.
• Bog' energiyasi formulasini teskari qo'llash. U uzilgan bog'lar minus hosil bo'lgan bog'lar, ya'ni hosil bo'lish entalpiyasi formulasiga teskari tartibda.
• Bitta Born–Gaber siklida kristall panjara energiyasining turli ishora kelishuvlarini aralashtirish.
• Qo'sh bog'ni ikkita yakka bog' deb sanash. C=C bog'i (611 kJ/mol) ikkita C–C bog'idan (690 kJ/mol) kuchsizroq.