Характеристики химической связи.

К важнейшим характеристикам связи относятся: длина, полярность, дипольный момент, насыщаемость, направленность, прочность, кратность связи.

Длиной связи – называется расстояние между ядрами атомов в молекуле. Длина связи определяется размерами ядер и степенью перекрывания электронных облаков.

Длина связи в HF равна 0,92∙10^-10, в HCl – 1,28∙10^-10м. Химическая связь тем прочнее, чем меньше ее длина.

Углом связи (Валентным углом) называют угол между воображаемыми линиями, проходящими через ядра химически связанных атомов. ∟HOH=104⁰,5; ∟H₂S=92,2⁰; ∟H₂S_е=91⁰,0.

Важнейшей характеристикой химической связи является энергия, определяющая ее прочность.

Количественно прочность связи характеризуют энергией, затрачиваемой на ее разрыв, и измеряется в кДж, отнесенных к 1 моль вещества.

Поэтому количественно прочность связи характеризует энергия сублимации Е_субл. вещества и энергия диссоциации молекулы на атомы Е_дисс.. Под энергией сублимации понимается энергия, затрачиваемая для перехода вещества из твердого состояния в газообразное. Для двухатомных молекул энергия связи равна энергии диссоциации молекулы на два атома.

Например, Е_дисс.(а следовательно Е_св.) в молекуле H₂ составляет 435кДж/моль. В молекуле F₂=159 кДж/моль, в молекуле N₂=940 кДж/моль.

Для не двухатомных, а многоатомных молекул типа АВ_n средняя энергия связи

Е_АВ= (1),

в силу АВ_n=А+nВ.

Например, энергия, поглощаемая в процессе

H₂O=2H+O

равна 924 кДж/моль.

Энергия связи

Е_OH= = = = 462 кДж/моль.

Заключение о структуре молекул и строении вещества делают по результатам полученных разными методами. При этом используют полученную информацию не только о длинах и энергиях связи, валентных углах, но и других свойствах вещества, таких, например, как магнитные, оптические, электрические, тепловые и другие.

Совокупность экспериментально полученных данных о строении вещества дополняют и обобщают результаты квантово-химических расчетных методов, которые используют концепцию квантово-механической теории химической связи. Считается, что химическая связь в основном осуществляется валентными электронами. У s- и p- элементов валентными являются электроны орбиталей внешнего слоя, а у d-элементов – электроны s-орбитали внешнего слоя и d-орбитали предвнешнего слоя.

Природа химической связи.

Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении атомов полная энергия системы (Е_кин.+Е_пот.) понижается.

Рассмотрим природу химической связи на примере молекулярного иона водорода H₂⁺. (Он получается при облучении молекул водорода Н₂ электронами; в газовом разряде). Для такой простейшей молекулярной системы наиболее точно решается уравнение Шредингера.

В ионе водорода Н₂⁺ один электрон движется в поле двух ядер – протонов. Расстояние между ядрами равно 0,106 нм, энергия связи (диссоциация на атомы Н и ион Н⁺) составляет 255,7 кДж/моль. То есть частица прочная.

В молекулярном ионе Н₂⁺ действуют электростатические силы двух типов – силы притяжения электрона к обоим ядрам и силы отталкивания между ядрами. Сила отталкивания проявляется между положительно заряженными ядрами Н_А⁺ и Н_А⁺, что можно представить в виде следующего рис. 3. Сила отталкивания стремится развести ядра друг от друга.

Рис. 3. Сила отталкивания (а) и притяжения (б) между двумя ядрами, возникающая при их сближении на расстояния порядка размеров атомов.

Силы притяжения действуют между отрицательно заряженным электроном е ⁻ и положительно заряженными ядрами Н⁺ и Н⁺. Молекула образуется в том случае, если равнодействующая сил притяжения и отталкивания равна нулю, то есть взаимное отталкивание ядер должно быть скомпенсировано притяжением электрона к ядрам. Такая компенсация зависит от расположения электрона е ⁻относительно ядер (рис.3 б и в). Здесь имеется в виду не положение электрона в пространстве (что нельзя определить), а вероятность нахождения электрона в пространстве. Расположение электронной плотности в пространстве, соответствующий рис. 3.б) способствует сближению ядер, а соответствующее рис. 3.в) – расталкиванию ядер, так как в этом случае силы притяжения направлены в одну сторону и отталкивание ядер не компенсируется. Таким образом, имеется область связывания, когда электронная плотность распределена между ядрами и область разрыхления или антисвязывания, когда электронная плотность распределена за ядрами.

Если электрон попадает в область связывания, то химическая связь образуется. Если же электрон попадает в область разрыхления, то химическая связь не образуется.

В зависимости от характера распределения электронной плотности в области связывания различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. В чистом виде эти связи не имеют места, и обычно в соединениях присутствует комбинация этих типов связи.