"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Ковалентную связь описывают не только тем, какие атомы она соединяет, но и её параметрами: длиной, энергией, кратностью и валентным углом. Эти характеристики помогают сравнивать связи по прочности и понимать, как устроены молекулы в пространстве. Обычно при увеличении кратности связь становится короче и прочнее, однако точные значения зависят от природы атомов и их окружения. Знание параметров объясняет геометрию и свойства веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Длина ковалентной связи — расстояние между ядрами атомов, соединённых связью. Её обычно выражают в пикометрах или нанометрах. Это расстояние позволяет сравнивать, насколько близко расположены связанные атомы, и зависит, в частности, от их размеров.
Энергия ковалентной связи — энергия, необходимая для разрыва связи в газовой фазе. Чем больше энергии требуется, тем прочнее связь. Значение помогает сравнивать устойчивость связей, но относится к определённой паре атомов и её окружению.
Кратность ковалентной связи — число общих электронных пар между двумя атомами. Одна пара образует одинарную, две — двойную, три — тройную связь. Кратность показывает, сколько пар электронов участвует в связывании именно этой пары атомов.
Валентный угол — угол между направлениями двух ковалентных связей, исходящих от одного атома. Его измеряют в градусах и используют для описания формы молекулы. Угол задаёт взаимное расположение связанных атомов вокруг общего центрального атома.
Длину связи определяют как расстояние между ядрами, потому что именно ядра задают положение атомов, тогда как электронные облака не имеют чёткой внешней границы. При сближении атомов притяжение ядер к общей электронной плотности способствует образованию связи, но отталкивание ядер и электронов мешает сближаться бесконечно. Устанавливается равновесное расстояние, соответствующее устойчивому состоянию. Поэтому размер атомов влияет на длину: крупные атомы обычно образуют более длинные связи, хотя кратность и окружение могут изменить сравнение.
При увеличении кратности между атомами появляется больше общих электронных пар. Электронная плотность между ядрами возрастает, и связь сильнее удерживает их вместе: ядра обычно сближаются, а разорвать такую связь становится труднее. Поэтому для одной и той же пары атомов тройная связь обычно короче и прочнее двойной, а двойная — одинарной. Это закономерность для сравнения сходных связей, а не правило, позволяющее без оговорок сравнивать любые вещества.
Энергия связи связана с тем, насколько устойчиво распределена электронная плотность между атомами. Если общая электронная пара эффективно притягивается обоими ядрами и связь имеет подходящее расстояние, для её разрыва нужно сообщить больше энергии. Различия в электроотрицательности меняют распределение электронной плотности: связь может стать полярной, то есть электронная плотность сместится к одному атому. Однако полярность сама по себе не задаёт энергию однозначно: учитываются и размеры атомов, и кратность, и окружение.
Ковалентные связи направлены, потому что общая электронная плотность располагается в определённых областях пространства вокруг атома. Связи поэтому не ориентированы случайно: направления их максимального перекрывания связаны с расположением атомных орбиталей. Угол между двумя такими направлениями становится характерным для молекулы валентным углом. Например, геометрия молекулы метана близка к тетраэдрической, а углы в воде и аммиаке меньше из-за влияния неподелённых электронных пар.
Параметры связи определяются одновременно природой атомов, кратностью и химическим окружением. Атомы разных элементов имеют разные размеры и по-разному притягивают электронную плотность, поэтому связи одного типа не обязаны иметь одинаковые длины и энергии во всех веществах. На геометрию и распределение электронной плотности влияют соседние атомы и неподелённые пары. Значит, табличное значение служит ориентиром, а точное сравнение требует учитывать, в каких молекулах находятся связи.
Таблица показывает, что именно описывает каждый параметр и какие факторы на него влияют. В последнем столбце приведена общая закономерность при увеличении кратности связи, если сравниваются связи между сходными атомами. Используйте эту колонку как ориентир, а не как безусловное правило для молекул разного состава.
| Параметр | Что характеризует | От чего зависит | Как изменяется при увеличении кратности связи |
|---|---|---|---|
| Длина ковалентной связи | Расстояние между ядрами связанных атомов | Размеров атомов, кратности связи, химического окружения | Обычно уменьшается |
| Энергия ковалентной связи | Энергию, необходимую для разрыва связи в газовой фазе | Природы атомов, кратности и окружения | Обычно увеличивается |
| Кратность ковалентной связи | Число общих электронных пар между двумя атомами | Числа общих пар, участвующих в связи | Увеличивается по определению |
| Валентный угол | Угол между направлениями связей от одного атома | Геометрии молекулы, орбиталей и неподелённых пар | Нет универсального изменения |
Задача. Расположите связи C–C, C=C и C≡C в порядке увеличения длины и в порядке увеличения энергии связи. Все три связи образованы одинаковыми атомами, поэтому можно применить закономерность изменения параметров с кратностью. Нужно не перепутать порядок: «увеличение длины» начинается с самой короткой связи.
Ответ: длина увеличивается в порядке C≡C < C=C < C–C; энергия связи — в порядке C–C < C=C < C≡C. Вывод относится к связям одного и того же элемента и не отменяет влияния химического окружения.
Задача. Найдите энергию разрыва всех рассматриваемых связей в 2,0 × 10²³ молекулах, если энергия одной связи равна 4,0 × 10⁻¹⁹ Дж. Считайте, что в каждой молекуле разрывают по одной такой связи. Сначала переводим число связей в общее количество, затем умножаем на энергию разрыва одной связи.
Ответ: 8,0 × 10⁴ Дж. Если энергия дана на моль связей, сначала находят количество вещества n = N / Nₐ, где Nₐ ≈ 6,02 × 10²³ моль⁻¹, а затем умножают n на молярную энергию связи.
Задача. Сравните строение молекул по длинам связей и валентным углам: в H₂O длина O–H около 0,096 нм, угол H–O–H — 104,5°; в NH₃ длина N–H около 0,101 нм, угол H–N–H — 107°; в CH₄ длина C–H около 0,109 нм, угол H–C–H — 109,5°. Требуется объяснить, почему геометрия различается.
Ответ: длины и углы различаются из-за природы центральных атомов и числа неподелённых пар. При сравнении геометрии особенно важно учитывать электронные пары, а не только обозначения связей в формуле.
Ошибка — считать, что большая длина означает большую прочность. Так рассуждают, смешивая размер связи с количеством энергии, нужной для её разрыва; обычно более короткая связь прочнее. Проверьте себя: если сравниваются связи одинаковых атомов, сверьте сначала их кратность — большая кратность обычно соответствует меньшей длине и большей энергии.
Кратность иногда путают с числом атомов в молекуле, например принимают молекулу из нескольких атомов за молекулу с «высокой кратностью». Но кратность относится к паре связанных атомов и равна числу общих электронных пар между ними. Чтобы проверить ответ, выделите конкретную связь и посчитайте пары, а не атомы во всей молекуле.
Неверно считать энергию связи универсальной константой для всех веществ. Значение зависит от элементов, кратности и химического окружения, поэтому справочное число нельзя переносить на любую молекулу без проверки. Уточните, к какой связи и условиям относится величина; отдельно проверьте, дана ли энергия на одну связь или на моль.
Валентный угол не равен углу между любыми линиями, которыми нарисована структурная формула. Он относится к направлениям двух связей, выходящих из одного атома, а плоский рисунок может условно передавать пространственную форму. Проверьте, есть ли у двух выбранных связей общий атом и от него ли отсчитываются направления.
Для понимания параметров связи нужны знания о строении атома, образовании общих электронных пар и электронных формулах молекул. Они помогают определить, какие атомы связаны и сколько пар участвует в связи. Знание электроотрицательности позволяет рассуждать о распределении электронной плотности и полярности связи.
Параметры ковалентной связи пригодятся при изучении пространственного строения молекул и гибридизации: валентные углы помогают описывать взаимное расположение атомов. В органической химии длина и энергия связей помогают сопоставлять строение молекул с их свойствами и реакционной способностью. Кратность связывает электронные формулы с характерными особенностями вещества.
Почему тройная связь короче и прочнее двойной?
Между атомами при тройной связи находятся три общие электронные пары, а не две. Их электронная плотность сильнее связывает ядра, поэтому расстояние между ними обычно меньше, а разорвать такую связь труднее.
Можно ли по длине связи определить её кратность?
Длину можно использовать для сравнения связей между одинаковыми атомами: обычно связь большей кратности короче. Но одного этого признака недостаточно, если сравниваются разные атомы или разные химические окружения.
Чем энергия связи отличается от энергии химической реакции?
Энергия связи относится к разрыву конкретной связи, обычно в газовой фазе. Энергия реакции учитывает разрыв одних и образование других связей во всех реагентах и продуктах, а также может зависеть от фазового состояния веществ.
Почему валентные углы в молекулах воды, аммиака и метана различаются?
У центральных атомов разное число неподелённых электронных пар: у кислорода в воде две, у азота в аммиаке одна, а у углерода в метане их нет. Неподелённые пары отталкиваются от связывающих сильнее и сжимают углы между связями.
Изменяются ли параметры связи при переходе от одной молекулы к другой?
Да, параметры могут меняться, даже если связь образована теми же элементами. На них влияют кратность, строение молекулы и химическое окружение, поэтому значения в таблицах часто следует понимать как характерные или усреднённые.
§ 10. Параметры ковалентной связи
