Основные характеристики химической связи

Важнейшими параметрами, определяющими химическую связь, являются длина, энергия и направленность. При сближении двух атомов между ними возникает слабое вапдерваальсово взаимодействие. Когда межъядерное расстояние становится сравнимо с размерами электронных оболочек, между атомами появляется два конкурирующих вида взаимодействия:

• 1) притяжение электронов одного атома к ядру другого атома;
• 2) отталкивание, действующее между одноименно заряженными ядрами и электронами обоих атомов.

Вначале преобладает первый вид взаимодействия, т. е. притяжение, в связи с чем энергия продолжает уменьшаться вплоть до образования стабильной молекулы. При дальнейшем сближении атомов начинают превалировать силы отталкивания, резко возрастающие на коротких расстояниях. Воображаемые прямые, проходящие через ядра двух химически взаимосвязанных соседних атомов, называются линиями связи. Межъядерное расстояние между химически связанными атомами называется длиной связи. Например, в молекуле Н₂0 расстояние между ядрами атомов водорода и кислорода составляет 0,096 нм. Угол между линиями связи называется валентным углом. Так, в молекуле воды этот угол равен 104,5° (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Валентный угол в молекуле воды

Другой важнейшей характеристикой является энергия связи, определяемая работой, которая необходима для разрушения связи, или выигрышем в энергии при образовании вещества из отдельных атомов.

Нельзя пу гать энергию разрыва связи и энергию связи. Энергия разрыва связи представляет собой действительную энергию, необходимую для разрыва данной связи в молекуле, а энергия связи — полная энергия распада связей в газообразной молекуле. Например, энергия связи II—Н в молекуле Н₂ равна 435 кДж/моль, в молекуле F._; она равна 159 кДж/моль, в молекуле N₂ — 940 кДж/моль. Из этих примеров следует, что при образовании 1 моля Н₂, F₂ и N₂ из изолированных атомов выделяется 435 кДж/моль для Н₂, 159 кДж/моль для F₂ и 940 кДж/моль для N₂. Такое же количество энергии должно быть поглощено при распаде 1 моль указанных простых веществ до атомарных.

Для многоатомных молекул типа MX_W средняя энергия связи Е_мх равна 1 /п полной энергии образования молекулы. Только при п = 1 энергия связи равна энергии разрыва связи. В остальных случаях может быть значительное различие между этими двумя величинами. Например, энергия, поглощаемая в процессе разложения воды.

равна 924 кДж/моль. Однако в молекуле воды обе связи равноценны, поэтому средняя энергия связи О—Н равна 924 кДж/моль: 2 = 462 кДж/моль. Если же проводить последовательный отрыв атомов водорода, то истинная энергия разрыва связи (так называемая энергия диссоциации) будет существенно отличаться от средней энергии связи. Для отрыва первого атома водорода требуется 494 кДж/моль:

Для отрыва второго атома водорода затрачивается лишь 430 кДж/моль. Эта величина характеризует энергию связи в радикале ОН- (радикал — любой атом или группа атомов, содержащие неспарениый электрон, который обозначается точкой по центру символа).

В настоящее время различают несколько типов химической связи: ковалентную, ионную, металлическую и водородную.