Jak opisać wiązanie (rząd, długość i energia wiązania)
1. Jak opisać wiązanie chemiczne ?
Wiązanie chemiczne można opisać na podstawie trzech parametrów :
➤ rząd wiązania ➤ długość wiązania ➤ energia wiązania
2. Rząd wiązania − brzmi strasznie, a to akurat najłatwiejsze
Zaczniemy od prostego wyjaśnienia, a zaraz to ujmiemy troszkę bardziej formalnie (trudniej), po nauczycielsku można by rzec. Podejdziemy do tematu od tyłu, a więc poniżej w tabeli zestawimy trzy cząsteczki, a niżej podpiszemy jaki jest tam rząd wiązania.
| Cząsteczka | H2 | C2H4 | N2 |
| Cząsteczka zpokazanymiwiązaniami | H―H | H2C=CH2 | N ≡ N |
| rządwiązania | 1 | 2 | 3 |
| Interpretacja? | wiązaniepojedyncze | wiązaniepodwójne | wiązaniepotrójne |
W przypadku cząsteczki C2H4 chodzi nam o to pogrubione wiązanie C=C, pomiędzy atomami węgla.
Rząd wiązania : to liczba par elektronowych, które są współdzielone przez atomy.
Wyróżniamy wiązania pojedyncze (sigma ?), podwójne (sigma + pi , ? + ?) i potrójne (sigma + pi + pi , ? + ?+ ?), dla których rząd wiązania wynosi odpowiednio 1 , 2 oraz 3 (jedna, dwie i trzy pary elektronowe). O tych greckich literkach w odniesieniu do wiązań dowiemy się niedługo.
3. Długość wiązania
Długość wiązania to w uproszczeniu[1] odległość pomiędzy (środkami) atomami
➤ Generalnie, długość wiązania rośnie wraz z rozmiarem atomu. Dobrze widać to na poniższym przykładzie :
| Wiązanie | C―I | C―Br | C―Cl | C―F |
| Długośćwiązania (pm) | 213 | 194 | 177 | 133 |
Rysuje nam się tutaj zależność długości wiązania (zakładając jeden atom taki sam, tutaj węgiel) idąc w dół grupy (długość wiązania rośnie).
A teraz zobaczmy czy trend ten sprawdza się w obrębie okresu (poziomo)
| Wiązanie | C―N | C―O | C―F |
| Długośćwiązania (pm) | 147 | 143 | 133 |
Rysuje nam się tutaj zależność długości wiązania (zakładając jeden atom taki sam, tutaj węgiel) idąc w prawo okresu (długość wiązania maleje).
Zobaczmy, że zależności te są jak najbardziej logiczne, co możemy zaobserwować na odpowiednim rysunku :
Zależność długości wiązania i rozmiaru atomów − wytłumaczenie.
4. Energia wiązania, czyli jak silne (mocne) jest wiązanie
Energia wiązania, nazywana także entalpią wiązania lub siłą wiązania to energia, którą należy dostarczyć, aby rozerwać nasze wiązanie (czyli rozdzielić dwa atomy). Jest to zawsze proces, który wymaga dostarczenia energii (endotermiczny). Oczywiście im wyższa wartość[2] takiej energii, tym silniejsze wiązanie.
Wszystkie te trzy cechy wiązania, czyli rząd, długość i moc wiązania są ze sobą powiązane. Dwa jądra są mocniej przyciągane przez dwie pary elektronowe, co oznacza, że atomy połączone wiązaniem podwójnym są bliżej siebie i ciężej je od siebie oddzielić. W takim razie wiązanie podwójne jest mocniejsze oraz krótsze od wiązania pojedynczego. Inaczej mówiąc im wyższy rząd wiązania tym jest ono mocniejsze (wyższa energia wiązania) oraz krótsze.
| Wiązanie | Rząd wiązania | Długość wiązania (średnia wartość, pm) | Energia (moc)wiązania [kJ/mol] |
| C―C | 1 | 143 | 346 |
| C = C | 2 | 123 | 602 |
| C ≡ C | 3 | 113 | 835 |
Porównanie długości i mocy wiązań pomiędzy atomami węgla.
Zauważ, że moc wiązania nie rośnie liniowo[3] (czyli dla wiązania podwójnego nie jest dwa razy większa niż dla pojedynczego). Spróbujmy jeszcze zrozumieć, dlaczego im wyższy rząd wiązania, tym wiązanie jest krótsze i silniejsze. Jak zwykle, staramy się zrozumieć (jeśli jest to w naszym maturalnym zasięgu) zamiast bezsensownie kuć to na pamięć.
Wyjaśnienie zależności rzędu wiązania od długości wiązania, tutaj na przykładzie wiązania pojedynczego i podwójnego.
[1] Czytaj na własną odpowiedzialność, to tylko dodatkowe rozważania. W chemii posługujemy się kilkoma definicjami, które opisują rozmiar atomu. Pamiętajmy, że ciężko przedstawić rozmiar atomu, jako że do opisu elektronów wykorzystujemy pojęcie orbitalu, które określają przestrzeń, w których elektrony spędzają większość (90%) czasu.
Zdefiniujmy rozmiar atomu jako odległość jednego od drugiego atomu, które nie są ze sobą połączone wiązaniem chemicznym. W praktyce najczęściej dokonuje się pomiaru odległości pomiędzy środkami dwóch jąder atomów i dzieli uzyskaną wartość na pół. Ze względu na to, że atomy nie mają zdefiniowanych granic (orbitale), to też ich rozmiary mogą w pewien sposób zależeć od atomu, z którym sąsiaduje. Mówiąc inaczej, rozmiar atomu może być inny w różnych jego związkach.
| Promień | |||
| atomowy | jonowy | ||
| kowalencyjny | metalu | kationu | anionu |
➤ promień metalu − ustalany jako połowa najkrótszej odległości pomiędzy środkami jąder dwóch, sąsiadujących atomów w krysztale danego pierwiastka. Używany głównie w odniesieniu do metali.
➤ promień kowalencyjny − to ½ odległości pomiędzy środkami jąder dwóch atomów, które są ze sobą połączone wiązaniem chemicznym. Używanie w odniesieniu do niemetali.
[2] Energia wiązania różni się nawet w obrębie tej samej cząsteczki, zatem w tabelach znajdziemy uśrednione wartości energii wiązań. Dlatego też w różnych podręcznikach możecie spotkać różne wartości, ale tym nie ma się co przejmować. Nam chodzi teraz o załapanie pewnych trendów, a nie uczenie się konkretnych liczb na pamięć.
[3] Skoro pojedyncze wiązanie ma moc równą 346 kJ/mol to wiązanie podwójne powinno mieć 2 • 346 = 692 kJ/mol, a przecież jest 605 kJ.