Как рассчитать полярность связи
Калькулятор полярности химических связей
Химические связи — это силы, которые удерживают атомы в молекуле и кристалле. В зависимости от электроотрицательности химические связи бывают разные, и эти различия влияют на свойства веществ.
Химические связи
Из базового курса химии известно, что все вещества во Вселенной состоят из атомов и молекул. Возникает вопрос: что заставляет атомы держаться вместе, а не хаотично разлетаться в пространстве? Все дело в химических соединениях, которые удерживают частицы в определенных состояниях. Представьте себе два надувных шарика, которые свободно парят по воздуху. Эти шарики никак не реагируют друг на друга, и даже если случайно столкнутся, то разойдутся в разные стороны. Но если шарикам придать полярные электрические заряды, то они начнут притягиваться.
Электрическое взаимодействие — одна из фундаментальных сил, которая удерживает частицы друг с другом. Опыт с шариками легко провести в реальности, так как для придания электрического заряда достаточно потереть шарики о шерстяные вещи или волосы. Но каким образом нейтральные атомы получают заряд в природе?
Ионная связь
Все атомы, исключая инертные газы, стремятся получить или отдать электроны для формирования устойчивой 8-электронной оболочки. При «перетекании» заряженных частиц от одного атома к другому возникают устойчивые электронные конфигурации, а заряды притягиваются друг к другу, формируя ионную связь. Рассмотрим механизм связывания ионов на простом примере.
Натрий — активный метал, атом которого имеет электронную конфигурацию 2-8-1. Сера — активный неметалл, у которого электроны располагаются по схеме 2-8-6. Видно, что у атомов натрия и серы последние электронные орбиты неустойчивы, так как количество электронов на них не равно 8. Когда натрий и сера «встречаются», они образуют новое вещество — сульфид натрия:
В этой реакции натрий отдает электроны, а сера присоединяет по следующей схеме:
В результате перехода электронов от натрия к сере, натрий теряет электрон с последней орбиты, образуя 8-электронную оболочку на второй. Сера, наоборот, притягивает к себе 2 электрона, дополняя третью орбиту до полного 8-электронного комплекта. В итоге атомы сульфида натрия становятся стабильными, а само соединение — устойчивым.
В отличие от всех остальных атомов, благородные одноатомные газы исходно имеют 8-электронные устойчивые уровни, в результате чего и характеризуются высокой инертностью. Например, чтобы заставить гелий или неон вступить в химическую реакцию, потребуется искусственным образом ионизировать каждый атом. Все остальные элементы «охотно» вступают в реакции, дабы стабилизировать электронные орбиты.
Ковалентная связь
Помимо ионной связи, существует ковалентная связь, которая возникает при формировании общих электронных пар. Сами же электронные пары образуются при наложении электронных облаков двух атомов. Рассмотрим принцип образования ковалентной связи.
Представим два атома азота, которые приблизились на достаточное расстояние так, что их электронные облака перекрывают друг друга. Нуклиды имеют положительный заряд, в то время, как электронное облако образовало достаточно мощный отрицательный заряд, что и обеспечивает притяжение ядератомов. В этом электронном облаке образовались общие пары заряженных частиц и возникла ковалентная связь. Каким образом?
Известно, что атом азота имеет электронную конфигурацию 2-5, а это значит, что ему не хватает 3 электронов для создания устойчивой 8-электронной внешней оболочки. При пересечении электронных облаков, атомы азота «подготавливают» по 3 частицы для формирования новых пар, в результате чего атомы теперь имеют общий устойчивый 8-электронный уровень. Свойство образовывать такие уровни называется валентностью, а числовая характеристика говорит о количестве электронов, которые могут быть «подготовлены» для образования пар. Таким образом, азот — это трехвалентный химический элемент.
Электроотрицательность
В предыдущем примере мы рассмотрели связь двух атомов азота. Если же два разных атома неметаллов образовали ковалентную связь, то один из них имеет «больший» электрический заряд, поэтому общие электронные пары смещаются в сторону более «сильного» ядра. Сила ядра определяется его электроотрицательностью: чем больше электроотрицательность ядра, тем лучше он образует электронные пары.
Полярные соединения формируются между частицами, разница в электоотрицательности ядер у которых находится в диапазоне от 0,4 до 2. Если разница меньше 0,4, то связь считается неполярной. Ионные соединения формируются между элементами, у которых разница в электроотрицательности больше 2. К примеру, металлы натрий, калий, литий или кальций образуют ионное соединение с активными неметаллами, в основном с галогенами, а также с молекулами некоторых солей и щелочей.
Силы Ван-дер-Ваальса
До этого мы говорили о силах, которые удерживают атомы вместе. Существуют также межмолекулярные силы, благодаря которым молекулы удерживаются друг с другом и образуют газы, жидкости и твердые тела. Эти силы носят имя Ван-дер-Ваальса — нидерландского физика, описавшего межмолекулярное взаимодействие. Молекулы вещества могут преодолевать силы Ван-дер-Ваальса, если их энергия теплового движения достигнет определенного уровня. Если молекулы вещества практически не движутся, то силы крепко удерживают их на месте, и вещество представляет собой твердое тело. При тепловой энергии, эквивалентной температуре плавления, молекулы начинают плавное движение относительно друг друга, а вещество переходит в состояние жидкости. Когда же энергия достигает точки кипения, то молекулы начинают хаотично разлетаться, а вещество становится газом. Силы Ван-дер-Ваальса одинаково действует на все молекулы вне зависимости от типа атомной связи.
Наша программа позволяет выбрать два химических элемента и определить полярность связи в полученных молекулах. Калькулятор сравнивает значение электроотрицательности элементов и в случае, если разница находится в диапазоне 0,4-2,0, определяет связь как полярную. В иных ситуациях связь определяется как неполярная (меньше 0,4) или ионная (больше 2). Рассмотрим подробнее.
Примеры работы калькулятора
Программа содержит данные обо всех элементах периодической таблицы. Выберем наиболее популярные химические элементы и определим тип их связи. К примеру, хлорид натрия NaCl имеет следующие свойства:
Хлороводород HCl характеризуется как:
Если мы выберем водород H2, то получим:
Таким путем вы можете выбрать любые два элемента периодической таблицы и определить тип химической связи.
Заключение
Тип химической связи между атомами зависит от электроотрицательности ядер. Узнать данный параметр можно в специальной таблице электроотрицательности, но легче воспользоваться онлайн-калькулятором, который мгновенно выдаст не только значения, но и тип химической связи.
Как определить полярность элемента
Полярность химических связей — характеристика химической связи (как правило, ковалентной), показывающая изменение распределения электронной плотности в пространстве вокруг ядер в сравнении с распределением электронной плотности в образующих данную связь нейтральных атомах.
Можно количественно оценить полярность связи в молекуле. Трудность точной количественной оценки состоит в том, что полярность связи зависит от нескольких факторов: от размеров атомов и ионов соединяющихся молекул; от числа и характера связи уже имевшихся у соединяющихся атомов до их данного взаимодействия; от типа структуры и даже особенностей дефектов их кристаллических решёток. Такого рода расчёты производятся различными методами, которые в общем-то дают примерно одинаковые результаты (величины). Например, для HCl установлено, что на каждом из атомов в этой молекуле имеется заряд, равный 0,17 заряда целого электрона. На водородном атоме +0,17, а на атоме хлора −0,17.
В качестве количественной меры полярности связи чаще всего используются так называемые эффективные заряды на атомах.
Эффективный заряд определяется как разность между зарядом электронов, находящимся в некоторой области пространства вблизи ядра, и зарядом ядра. Однако эта мера имеет лишь условный и приблизительный [относительный] смысл, поскольку невозможно однозначно выделить в молекуле область, относящуюся исключительно к отдельному атому, а при нескольких связях — к конкретной связи.
Практически все химические связи, за исключением связей в двухатомных гомоядерных молекулах — в той или иной степени полярны. Ковалентные связи обычно слабо полярны. Ионные связи — сильно полярны.
Содержание
Эффективный заряд [ править | править код ]
Анализ рентгеновского спектра позволяет определять эффективные заряды атомов, а следовательно, и тип химической связи в соединениях. Для этого сравнивают расположение линий рентгеновского спектра свободных атомов и их соединений. Если атом в соединении имеет соответствующий эффективный заряд δ, то линии спектра оказываются смещенными по сравнению со спектрами свободного атома. По величине смещения спектральных линий соответствующими методами расчёта определяют δ.
Значения δ, определяемые разными методами, существенно различаются. Приводимые здесь значения δ интересуют нас с точки зрения иллюстрации общей тенденции их изменения в ряду однотипных соединений.
| Эффективные заряды O оксидов элементов 2-го, 3-го периода и I-й группы ПСХЭ | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид | Заряд | Оксид | Заряд | Оксид | Заряд |
| Li2O | 0.80− | Na2O | 0.81− | Li2O | 0.80− |
| BeO | 0.35− | MgO | 0.42− | Na2O | 0.81− |
| B2O3 | 0.24− | Al2O3 | 0.31− | K2O | 0.89− |
| CO2 | 0.11− | SiO2 | 0.23− | Rb2O | 0.92− |
| N2O5 | 0.05− | P2O5 | 0.13− | Cs2O | 0.96− |
| OO2 | SO3 | 0.06− | |||
| OF2 | Cl2O7 | 0.02− (0,01−) | |||
| Эффективные заряды δ атомов некоторых соединений | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Вещество | Атом и его степень окисления | Заряд δ | Химическое соединение | Атом и его степень окисления | δ |
| HF | H (I) | 0.40+ | Cr[(CO)6] | Cr (0) | 0.4+ |
| HCl | H (I) | 0.18+ | CrCl2 | Cr (II) | 1.9+ |
| NaF | Na (I) | 0.98+ | CrCl3 | Cr (III) | 1.2+ |
| NaCl | Na (I) | 0.92+ | [Cr(NH3)6]Cl3 | Cr (III) | 1.2+ |
| NaBr | Na (I) | 0.83+ | K2CrO4 | Cr (VI) | 0.2+ |
| NaI | Na (I) | 0.75+ | K2Cr2O7 | Cr (VI) | 0.1+ |
| MgCl2 | Mg (II) | 1.50+ | KMnO4 | Mn (VII) | 0.3+ |
| MgBr2 | Mg (II) | 1.38+ | CaSO4 | S (VI) | 0.4+ |
| MgO | Mg (II) | 1.01+ | KClO3 | Cl (V) | 0.7+ |
| MgS | Mg (II) | 1.05+ | K3[Fe(CN)6] | Fe (III) | 1.0+ |
| SiO2 | Si (IV) | 1.97+ | OsO2 | Os (IV) | 0.8+ |
| SiS2 | Si (IV) | 1.69+ | K2[OsO4] | Os (VI) | 0.8+ |
| Co(NO3)2 | Co (II) | 1.20+ | K[OsO3N] | Os (VIII) | 1.0+ |
K [ I + 1 I − 1 2 ] >>[ > >_ ]>  | I (−1), периферийный | 0,5− | B2H6 | B (III) | 0.22+ |
| K [ I + 1 Cl − 1 2 ] >>[ > >>_ ]> | Cl (−1) | 0,55− | B2H6 | H (I), мостиковый | 0,22− |
| K [ I + 1 Cl − 1 2 ] >>[ > >>_ ]> | I (+1), центральный | 0,11+ | XeF2 | F (I) | 0.5− |
| [•C≡N:] − | H 0.04 + − C 0.17 + = N 0.21 − >>- >>= >>> | [•N≡C:] − / : C − = N + >>= >>> • [1] | H 0.04 + − N 0.75 + = C 0.79 − >>- >>= >>> | ||
Как видно из таблицы, степень окисления элемента в соединении по значению не совпадает с результирующим [эффективным] зарядом на атоме. Об этом же говорит исследование энергии связи 1s-электрона азота в зависимости от эффективного заряда на атоме. Так, при степени окисления азота +5 в NaNO3 атом азота имеет эффективный заряд всего 0,4+
( K C + 4 N − 3 O >> >> >> >>> = 0.6−; Na N − 1 / 3 3 >> >>_ > ( Na [ N − 3 = N + 5 = N − 3 ] ) >>[ >>= >>= >>])> = 0.55−; K C + 2 N − 3 >> >> >>> = 0.5−; [ N − 1 H 3 O H ] Cl >> >>_ >> >>] >>> = 0.3−; N − 1 H 4 N O 3 >> >>_ >> >>_ > = 0.05+; [ N − 2 2 H 6 ] S O 4 >>_ >>_ ] > >>_ > = 0.1+; Na N + 3 O 2 >> >> >>_ > = 0.15+;). При степени окисления железа 0 и +2 в соединениях Fe(CO)5 и Fe(C6H5)2 эффективный заряд на атоме железа в этих соединениях близок к 1+
((δ) Fe + 2 S − 1 2 >> >_ > = 0.5+; K 4 [ Fe + 2 ( C N ) 6 >>_ [ >>( >> >>)_ > = 0.9+; N H 4 Fe + 3 ( S O 4 ) 2 >> >>_ >>( > >>_ )_ > •12H2O = 1.5+; K 2 Fe + 6 O 4 >>_ >> >>_ > = 1.8+; K 3 Fe + 3 F 6 >>_ >> >>_ > = 1.9+, при общей тенденции прямо-пропорционального повышения значений энергии связи).
Мгновенные и индуцированные диполи.
Молекула представляет собой динамическую систему, в которой происходит постоянное движение электронов и колебание ядер. Поэтому распределение зарядов в ней не может быть строго постоянным. Например, молекулу Cl2 относят к неполярным: значение её электрического момента диполя равно нулю. Однако в каждый данный момент происходит временное смещение зарядов к одному из атомов хлора: Cl δ+ → Cl δ− или Cl δ− ← Cl δ+ с образованием мгновенных микродиполей. Поскольку подобное смещение зарядов к любому из атомов равновероятно, среднее распределение зарядов как раз и соответствует среднему нулевому значения момента диполя.
Для полярных молекул значение момента диполя в каждый данный момент времени несколько больше или несколько меньше его среднего значения. Направление и величина мгновенного диполя подвержены непрерывным колебаниям постоянного момента диполя. Таким образом, любую неполярную и полярную молекулу (и атом в ней) можно рассматривать как совокупность периодических очень быстро меняющихся по величине и направлению мгновенных микродиполей.
Под действием внешнего электрического поля молекула поляризуется, то есть в ней происходит перераспределение зарядов, и молекула приобретает новое значение электрического момента диполя. При этом неполярные молекулы могут превратиться в полярные, а полярные становятся ещё более полярными. Иначе говоря, под действием внешнего эл. поля в молекулах индуцируется диполь, называемый наведённым или индуцированным. В отличие от постоянных и мгновенных наведенные (индуцированные) диполи существуют лишь при действии внешнего электрического поля. После прекращения действия поля наведённые диполи исчезают. Полярностью и поляризуемостью молекул обусловлено межмолекулярное взаимодействие.
Сверху вниз электроотрицательность убывает, следовательно, полярность связи уменьшается. И НАОБОРОТ.
рассмотрим элементы : B,Al,Ga Они находятся в одно группе. по правилу сверху вниз полярность уменьшается, значит менее полярный здесь будет Ga, а самый полярный — В
смотрим правило из которого следует, что самый полярный будет азот.
Полярность химических связей — характеристика химической связи (как правило, ковалентной), показывающая изменение распределения электронной плотности в пространстве вокруг ядер в сравнении с распределением электронной плотности в образующих данную связь нейтральных атомах.
Можно количественно оценить полярность связи в молекуле. Трудность точной количественной оценки состоит в том, что полярность связи зависит от нескольких факторов: от размеров атомов и ионов соединяющихся молекул; от числа и характера связи уже имевшихся у соединяющихся атомов до их данного взаимодействия; от типа структуры и даже особенностей дефектов их кристаллических решёток. Такого рода расчёты производятся различными методами, которые в общем-то дают примерно одинаковые результаты (величины). Например, для HCl установлено, что на каждом из атомов в этой молекуле имеется заряд, равный 0,17 заряда целого электрона. На водородном атоме +0,17, а на атоме хлора −0,17.
В качестве количественной меры полярности связи чаще всего используются так называемые эффективные заряды на атомах.
Эффективный заряд определяется как разность между зарядом электронов, находящимся в некоторой области пространства вблизи ядра, и зарядом ядра. Однако эта мера имеет лишь условный и приблизительный [относительный] смысл, поскольку невозможно однозначно выделить в молекуле область, относящуюся исключительно к отдельному атому, а при нескольких связях — к конкретной связи.
Практически все химические связи, за исключением связей в двухатомных гомоядерных молекулах — в той или иной степени полярны. Ковалентные связи обычно слабо полярны. Ионные связи — сильно полярны.
Содержание
Эффективный заряд [ править | править код ]
Анализ рентгеновского спектра позволяет определять эффективные заряды атомов, а следовательно, и тип химической связи в соединениях. Для этого сравнивают расположение линий рентгеновского спектра свободных атомов и их соединений. Если атом в соединении имеет соответствующий эффективный заряд δ, то линии спектра оказываются смещенными по сравнению со спектрами свободного атома. По величине смещения спектральных линий соответствующими методами расчёта определяют δ.
Значения δ, определяемые разными методами, существенно различаются. Приводимые здесь значения δ интересуют нас с точки зрения иллюстрации общей тенденции их изменения в ряду однотипных соединений.
| Эффективные заряды O оксидов элементов 2-го, 3-го периода и I-й группы ПСХЭ | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид | Заряд | Оксид | Заряд | Оксид | Заряд |
| Li2O | 0.80− | Na2O | 0.81− | Li2O | 0.80− |
| BeO | 0.35− | MgO | 0.42− | Na2O | 0.81− |
| B2O3 | 0.24− | Al2O3 | 0.31− | K2O | 0.89− |
| CO2 | 0.11− | SiO2 | 0.23− | Rb2O | 0.92− |
| N2O5 | 0.05− | P2O5 | 0.13− | Cs2O | 0.96− |
| OO2 | SO3 | 0.06− | |||
| OF2 | Cl2O7 | 0.02− (0,01−) | |||
| Эффективные заряды δ атомов некоторых соединений | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Вещество | Атом и его степень окисления | Заряд δ | Химическое соединение | Атом и его степень окисления | δ |
| HF | H (I) | 0.40+ | Cr[(CO)6] | Cr (0) | 0.4+ |
| HCl | H (I) | 0.18+ | CrCl2 | Cr (II) | 1.9+ |
| NaF | Na (I) | 0.98+ | CrCl3 | Cr (III) | 1.2+ |
| NaCl | Na (I) | 0.92+ | [Cr(NH3)6]Cl3 | Cr (III) | 1.2+ |
| NaBr | Na (I) | 0.83+ | K2CrO4 | Cr (VI) | 0.2+ |
| NaI | Na (I) | 0.75+ | K2Cr2O7 | Cr (VI) | 0.1+ |
| MgCl2 | Mg (II) | 1.50+ | KMnO4 | Mn (VII) | 0.3+ |
| MgBr2 | Mg (II) | 1.38+ | CaSO4 | S (VI) | 0.4+ |
| MgO | Mg (II) | 1.01+ | KClO3 | Cl (V) | 0.7+ |
| MgS | Mg (II) | 1.05+ | K3[Fe(CN)6] | Fe (III) | 1.0+ |
| SiO2 | Si (IV) | 1.97+ | OsO2 | Os (IV) | 0.8+ |
| SiS2 | Si (IV) | 1.69+ | K2[OsO4] | Os (VI) | 0.8+ |
| Co(NO3)2 | Co (II) | 1.20+ | K[OsO3N] | Os (VIII) | 1.0+ |
| K [ I + 1 I − 1 2 ] >>[ > >_ ]> | I (−1), периферийный | 0,5− | B2H6 | B (III) | 0.22+ |
| K [ I + 1 Cl − 1 2 ] >>[ > >>_ ]> | Cl (−1) | 0,55− | B2H6 | H (I), мостиковый | 0,22− |
| K [ I + 1 Cl − 1 2 ] >>[ > >>_ ]> | I (+1), центральный | 0,11+ | XeF2 | F (I) | 0.5− |
| [•C≡N:] − | H 0.04 + − C 0.17 + = N 0.21 − >>- >>= >>> | [•N≡C:] − / : C − = N + >>= >>> • [1] | H 0.04 + − N 0.75 + = C 0.79 − >>- >>= >>> | ||
Как видно из таблицы, степень окисления элемента в соединении по значению не совпадает с результирующим [эффективным] зарядом на атоме. Об этом же говорит исследование энергии связи 1s-электрона азота в зависимости от эффективного заряда на атоме. Так, при степени окисления азота +5 в NaNO3 атом азота имеет эффективный заряд всего 0,4+
( K C + 4 N − 3 O >> >> >> >>> = 0.6−; Na N − 1 / 3 3 >> >>_ > ( Na [ N − 3 = N + 5 = N − 3 ] ) >>[ >>= >>= >>])> = 0.55−; K C + 2 N − 3 >> >> >>> = 0.5−; [ N − 1 H 3 O H ] Cl >> >>_ >> >>] >>> = 0.3−; N − 1 H 4 N O 3 >> >>_ >> >>_ > = 0.05+; [ N − 2 2 H 6 ] S O 4 >>_ >>_ ] > >>_ > = 0.1+; Na N + 3 O 2 >> >> >>_ > = 0.15+;). При степени окисления железа 0 и +2 в соединениях Fe(CO)5 и Fe(C6H5)2 эффективный заряд на атоме железа в этих соединениях близок к 1+
((δ) Fe + 2 S − 1 2 >> >_ > = 0.5+; K 4 [ Fe + 2 ( C N ) 6 >>_ [ >>( >> >>)_ > = 0.9+; N H 4 Fe + 3 ( S O 4 ) 2 >> >>_ >>( > >>_ )_ > •12H2O = 1.5+; K 2 Fe + 6 O 4 >>_ >> >>_ > = 1.8+; K 3 Fe + 3 F 6 >>_ >> >>_ > = 1.9+, при общей тенденции прямо-пропорционального повышения значений энергии связи).
Мгновенные и индуцированные диполи.
Молекула представляет собой динамическую систему, в которой происходит постоянное движение электронов и колебание ядер. Поэтому распределение зарядов в ней не может быть строго постоянным. Например, молекулу Cl2 относят к неполярным: значение её электрического момента диполя равно нулю. Однако в каждый данный момент происходит временное смещение зарядов к одному из атомов хлора: Cl δ+ → Cl δ− или Cl δ− ← Cl δ+ с образованием мгновенных микродиполей. Поскольку подобное смещение зарядов к любому из атомов равновероятно, среднее распределение зарядов как раз и соответствует среднему нулевому значения момента диполя.
Для полярных молекул значение момента диполя в каждый данный момент времени несколько больше или несколько меньше его среднего значения. Направление и величина мгновенного диполя подвержены непрерывным колебаниям постоянного момента диполя. Таким образом, любую неполярную и полярную молекулу (и атом в ней) можно рассматривать как совокупность периодических очень быстро меняющихся по величине и направлению мгновенных микродиполей.
Под действием внешнего электрического поля молекула поляризуется, то есть в ней происходит перераспределение зарядов, и молекула приобретает новое значение электрического момента диполя. При этом неполярные молекулы могут превратиться в полярные, а полярные становятся ещё более полярными. Иначе говоря, под действием внешнего эл. поля в молекулах индуцируется диполь, называемый наведённым или индуцированным. В отличие от постоянных и мгновенных наведенные (индуцированные) диполи существуют лишь при действии внешнего электрического поля. После прекращения действия поля наведённые диполи исчезают. Полярностью и поляризуемостью молекул обусловлено межмолекулярное взаимодействие.