11. Основные характеристики химической связи: энергия, длина, направленность, кратность, полярность.

1.Энергия связи

Энергия связи – это энергия, которая выделяется при образовании молекулы из одиночных атомов. Энергия связи отличается от ΔH_обр. Теплота образования – это энергия, которая выделяется или поглощается при образовании молекул из простых веществ. Так:

 N₂ + O₂ → 2NO                    + 677,8 кДж/моль – ∆H_обр.

N + O → NO                        - 89,96 кДж/моль – Е _св.

 Для двухатомных молекул энергия связей равна энергии диссоциации, взятой с обратным знаком: например в молекуле F₂ энергия связи между атомами F-F равна - 150,6 кДж/моль.

Для многоатомных молекул с одним типом связи, например, для молекул АВ_n, средняя энергия связи равна 1/n части полной энергии образования  соединения из атомов. Так, энергия образования СН₄ = -1661,1 кДж/моль. Так как в молекуле СН₄ четыре связи, то энергия одной связи С – Н равна 415,3 кДж/моль. Исследование большого числа известных в настоящее время данных по энергиям связи показывает, что энергия связи между конкретной парой атомов часто оказывается величиной постоянной при условии, что остальная часть молекулы изменяется незначительно. Так, в насыщенных углеводородах Е_{св (C – Н)} = 415,3 кДж/моль, Е_{св (C – С)} = 331,8 кДж/моль.

Энергии связей в молекулах, состоящих из одинаковых атомов, уменьшаются по группам сверху вниз .

По периоду энергии связей растут. В этом же направлении возрастает  и сродство к электрону

 Если в молекуле соединяются более двух различных атомов, то средняя энергия связи не совпадает с величиной энергии диссоциации молекулы. Если в молекуле представлены различные типы связи, то каждому из них можно приближенно приписать определенное значение Е. Это позволяет оценить энергию образования молекулы из атомов. Например, энергию образования молекулы пентана из атомов углерода и водорода можно вычислить по уравнению:

Е = 4E_C-C  + 12E_C-H.

В табл. 4.2 рассматривается взаимосвязь между энергией химической связи и свойствами веществ.

 Таблица 4.2

Взаимосвязь между энергией химической связи и свойствами веществ

Вид связи	Энергия связи, кДж/моль	Свойства
Ковалентная	400	Высокие твердость, прочность, температуры кипения и плавления
Ионная	250	Хрупкость
Металлическая	150	Высокая пластичность
Водородная	60	Низкие твердость, прочность, температуры кипения и плавления
Вандерваальсова	40

2. Длина связи

Длина связи – это расстояние между ядрами взаимодействующих атомов. Ориентировочно оценить длину связи можно, исходя из атомных или ионных радиусов, или из результатов определения размеров молекул с помощью числа Авогадро. Так, объем, приходящийся на одну молекулу воды:  , отсюда   

С помощью различных методов физико-химических исследований (например электронографии) определяют d более точно. Исследование длин связей показало, что для данной пары атомов в различных (сходных) соединениях длина связи остается величиной постоянной.

Из длин связей между атомами в молекуле можно вычислить ковалентные радиусы атомов. Если рассмотреть гомоядерные двухатомные молекулы с простой связью, такие как F₂ или Сl₂, атомам F и Сlможно приписать ковалентные радиусы простых связей, равные половине межъядерного расстояния в соответствующих молекулах. Для элементов, которые не могут образовать двухатомные молекулы с простыми связями, используют другие методы определения радиусов. Так, поскольку расстояние С—С в алмазе и множестве органических молекул найдено равным 1,54+0,01 Å, то ковалентный радиус атома углерода принимают равным 0,77. Чтобы получить ковалентный радиус атома азота, вычитают 0,77 из расстояния С—N в молекуле Н₃С—NH₂, при этом получают 0,70.

Также можно получить и радиусы кратных связей. Например, для тройной связи радиусы атомов углерода и азота можно вычислить из длин связей в Н—СºС—Н и NºN; они равны 0,60 и 0,55, причем для длины связи CºN они дают величину 1,15 по сравнению с 1,16, полученной экспериментально. Можно сделать вывод, что чем выше порядок связи между атомами, тем она короче (см. табл. 4.4).

На длину связи в значительной мере влияет и гибридизация. Так, определено, что расстояние С—С, равное 1,54, относится к связи между двумя sр³-гибридизированными атомами, а расстояние С=С обычно относят к связи между двумя sр²-гибридизированными атомами углерода, в то время как связь CºC, главным образом, наблюдается между sp-гибридизированными углеродными атомами.

Поскольку 2s-орбиталь углерода имеет меньший средний радиус, чем 2р-орбиталь, следует ожидать, что чем больше s-характер используемой орбитали, тем короче должно быть межъядерное расстояние, при котором будет наблюдаться лучший баланс между перекрыванием и отталкиванием в σ-связи. Было установлено, что в случае простой связи радиусы атома углерода в разных состояниях гибридизации равны: sp3 - 0,77; sp2 - 0,74 и sp - 0,70.

3. Направленность связи – если в пространстве существуют определенные направления, вдоль которых распространяется действие связи,

то связь направлена, если таких направлений нет – то ненаправлена.