Длины и энергии связей
Длина связи
Длину связи — расстояние между ядрами — измеряют в пикометрах (1 пм = \(10^{-12}\) м). Предсказать, какая связь короче, можно по трём правилам.
Как сравнить длины связей
- Размер атомов. Чем больше атом, тем длиннее его связи: \(\ce{C-F} < \ce{C-Cl} < \ce{C-Br} < \ce{C-I}\).
- Кратность. Чем кратнее связь между теми же атомами, тем она короче: \(\ce{C#C} < \ce{C=C} < \ce{C-C}\).
- Гибридизация. Чем больше доля \(s\)-орбитали, тем ближе электроны к ядру и короче связь: \(sp\) (50 % \(s\)) < \(sp^2\) (33 %) < \(sp^3\) (25 %).
| Связь | Длина, пм | Связь | Длина, пм |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C-C}\) | 154 | \(\ce{C-F}\) | 139 |
| \(\ce{C=C}\) | 134 | \(\ce{C-Cl}\) | 178 |
| \(\ce{C#C}\) | 120 | \(\ce{C-Br}\) | 193 |
| \(\ce{C-O}\) | 143 | \(\ce{C-I}\) | 214 |
| \(\ce{C=O}\) | 122 | \(\ce{C-N}\) | 147 |
Примеры
1. \(\ce{C-Cl}\) или \(\ce{C-Br}\)? Бром больше хлора — связь C–Br длиннее: 193 пм против 178.
2. \(\ce{C=O}\) или \(\ce{C-O}\)? Двойная короче: 122 пм против 143.
3. C–H в этане, этилене и ацетилене. Углерод \(sp^3\), \(sp^2\), \(sp\) — длина 110, 108 и 106 пм: чем больше доля \(s\), тем короче связь.
4. Одинарная связь C–C в бута-1,3-диене. Она соединяет два \(sp^2\)-атома и короче, чем в этане: 148 пм против 154.
errorКратность — между теми же атомами
Правило «кратная связь короче» сравнивает связи одних и тех же атомов. Двойная связь C=O (122 пм) короче одинарной C–Cl (178 пм) не только из-за кратности, но и потому, что кислород меньше хлора.
edit_noteПопробуйте сами
Какая связь короче: C–N в метиламине или C≡N в ацетонитриле? Какая длиннее: C–Cl или C–I?
expand_moreПоказать решение
C≡N короче: связь тройная. C–I длиннее: иод больше хлора.
Энергия связи
Энергия связи — энергия, которую нужно затратить, чтобы разорвать 1 моль связей в газе. Чем она больше, тем связь прочнее.
| Связь | Энергия, кДж/моль | Связь | Энергия, кДж/моль |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C-C}\) | 348 | \(\ce{C-H}\) | 413 |
| \(\ce{C=C}\) | 614 | \(\ce{O-H}\) | 463 |
| \(\ce{C#C}\) | 839 | \(\ce{C-F}\) | 485 |
| \(\ce{C-O}\) | 358 | \(\ce{C-Cl}\) | 339 |
| \(\ce{C=O}\) | 745 | \(\ce{C-Br}\) | 285 |
| \(\ce{H-H}\) | 436 | \(\ce{C-I}\) | 213 |
Как оценить энергию π-связи
- Возьмите энергию кратной связи.
- Вычтите энергию одинарной связи тех же атомов — это энергия σ-связи.
- Разделите остаток на число π-связей.
Примеры
1. π-связь в тройной связи C≡C. \((839 - 348)/2 \approx 245\) кДж/моль — меньше, чем 348 у σ-связи: боковое перекрывание \(p\)-орбиталей слабее осевого.
2. π-связь в C=O. \(745 - 358 = 387\) кДж/моль.
3. Почему алкены присоединяют бром. Рвутся слабая π-связь C=C и связь Br–Br, а образуются две прочные σ-связи C–Br — реакция выгодна:
4. Связи углерод–галоген. Чем длиннее связь, тем она слабее: C–I (213 кДж/моль) рвётся легче всех, поэтому иодалканы реагируют быстрее хлоралканов.
5. C–H у \(sp\)-углерода. Связь короче и прочнее, а электроны ближе к углероду — поэтому водород при тройной связи отщепляется как протон под действием сильного основания:
errorПрочная связь — не значит неполярная
Энергия связи и её полярность — разные свойства. Связь C–F самая прочная из связей углерода с галогенами и при этом самая полярная.
edit_noteПопробуйте сами
Оцените энергию π-связи в двойной связи C=N, если \(E(\ce{C=N}) = 615\) кДж/моль, \(E(\ce{C-N}) = 305\) кДж/моль.
expand_moreПоказать решение
\(615 - 305 = 310\) кДж/моль.
push_pinГлавное
Связь короче, если атомы меньше, если связь кратнее и если у атома больше доля \(s\)-орбитали (\(sp\) > \(sp^2\) > \(sp^3\)). Для одних и тех же атомов более короткая связь прочнее. π-связь слабее σ-связи: её энергию оценивают как разность энергий кратной и одинарной связи, поэтому кратные связи вступают в присоединение.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.