更新时间:2022-08-25 14:27
能表征化学键性质的物理量称为键参数(bond parameter)。共价键的键参数主要有键能、键长、键角,此外还有键的极性和键级。
能表征化学键性质的物理量称为键参数(bond parameter)。共价键的键参数主要有键能、键长、键角,键的极性,键级。
298.15k,将1mol气态双分子AB的化学键断开成为气态的中性原子A和B所需要的能量。对于气态双分子键能和离解能数值相同,对于多原子分子如NH3,三个键(N-H)的离解能D1、D2、D3数值不同,N-H键的键能可表示为:E =(D1+D2+D3)/3
因此键能可定义为平均键离解能。键能越大,键越牢固。
Bond Energy,是从能量因素衡量化学键强弱的物理量。其定义为:在标准状况下,将1mol气态分子AB(g)解离为气态原子A(g),B(g)所需的能量,用符号E表示,单位为kJ.mol-1。键能的数值通常用该温度下该反应的标准摩尔反应焓变表示,如不指明温度,应为298.15K。
生物分子中化学键能的大小与许多因素有关,其中主要的因素是被键连接在一起的原子间电负性差异。具有较小键能的键容易被破坏,即这种键本身较弱、较不稳定
键能是表征化学键强度的物理量,可以用键断裂时所需的能量大小来衡量。在101.3kPa和298.15K下,将1mol气态分子AB断裂成理想气态原子所吸收的能量叫做AB的离解能(kJ/mol),常用符号D(A-B)表示。
即:AB(g)→A(g)+ B(g)
对于双原子分子,键能E(A—B)等于键的解离能D(A—B),可直接热化学测量中得到。例如:
Cl2(g)→2Cl(g) ΔHm,298.15(Cl2)=E(Cl2)=D(Cl2)=247kJ/mol
在多原子分子中断裂气态分子中的某一个键所需的能量叫做分子中这个键的离解能。例如:
NH3(g)= NH2(g)+ H(g) D1= 435kJ/mol
NH2(g)= NH(g)+ H(g) D2= 397kJ/mol
NH(g)= N(g)+ H(g) D3= 339kJ/mol
NH3分子中虽然有三个等价的N-H键,但先后拆开它们所需的能量是不同的。所谓键能(Bond Energy)通常是指在101.3KPa和298K下将1mol气态分子拆开成气态原子时,每个键所需能量的平均值,键能用E表示。
显然对双原子分子来说,键能等于离解能。
例如,298.15K时,H的键能E(H-H)=D(H-H)=436kJ/mol;而对于多原子分子来说,键能和离解能是不同的。例如NH分子中N-H键的键能应是三个N-H键离解能的平均值:
E(N-H)=(D1+D2+D3)/3=1171/3=391kJ/mol
一般来说键能越大,化学键越牢固。双键的键能比单键的键能大得多,但不等于单键键能的两倍;同样三键键能也不是单键键能的三倍。
键能是化学键形成时放出的能量或化学键断裂时吸收的能量,可用来标志化学键的强度。它的数值是这样确定的:对于能够用定域键结构满意地描述的分子,所有各键的键能之和等于这一分子的原子化能。键能是从定域键的相对独立性中抽象出来的一个概念,它的定义中隐含着不同分子中同一类型化学键的键能相同的假定。实验证明,这个假定在一定范围内近似成立。例如,假定C─C和C─H键的键能分别是346和411kJ/mol,则算出来的饱和烃的原子化能只有2%的偏差。
键长是共价键的重要性质,可以由实验测量得到。分析研究键长与其他参数的关系,有利于探索化学物构建的本质。
两个成键原子A和B的平均核间距离。是了解分子结构的基本构型参数,也是了解化学键强弱和性质的参数。可以由实验测量得到。键长是分子结构的重要参数之一,它对于讨论化学键的性质,研究物质的微观结构以及阐明微观结构与宏观性能之间的关系等方面都具有重要作用。
对于由相同的A和B两个原子组成的化学键:键长值小,键强;键的数目多,键长值小。
在原子晶体中,原子半径越小,键长越短,键能越大。由大量的键长值可以推引出成键原子的原子半径;反之,利用原子半径的加和值可得这种化学键的典型键长。若再考虑两个原子电负性差异的大小予以适当校正,和实际测定值会符合得很好。
对于共价键键长的比较,大致可以参考以下方法:共价键强度越大,则键长越小;与同一原子相结合形成共价键的原子电负性与该原子相差越大,键长越小;(例如卤素与碳原子间形成的价键)同时,键长也与该原子形成的其他化学键类型及强度有关。
但是,影响键长和键能的因素有很多,例如原子半径、原子核间距离、孤对电子之间的排斥力、反馈键等,在实际的分子中,由于受共轭效应、空间阻碍效应和相邻基团电负性的影响,同一种化学键键长还有一定差异。因此在讨论问题时必须视具体情况进行分析。
各种分子中键长的数值,大量地已通过晶体的X射线衍射法予以测定;为数较少的简单的气态分子和X-H键长已通过光谱法和中子衍射法测出。除了用光谱、衍射等物理方法测定键长外,量子化学中可以由从头计算法或自洽场半经验法计算键长。
键角是指在分子中,一个原子与其他两个原子形成的两个化学键之间的夹角叫做键角。键角是反映分子空间结构的重要因素之一。从原则上说,键角可以用量子力学近似方法计算出来,但对复杂分子,但实际上键角还是通过光谱、衍射等结构实验测定的。
键角与键长是决定分子构型的基本参数,除少数规则构型分子的键角与分子中中心原子价层中电子对的排布一致外,绝大多数分子的键角偏离标准键角。影响分子键角偏离的因素很多,但主要因素是中心原子价层中电子对的类型和成键原子的电负性。
孤对效应
孤电子对与成键电子对的电子云分布不同,成键电子又受到两个成键原子核的吸引,电子云比较集中在键轴的位置,而孤电子对则只受中心原子核的吸引,在原子周围占的体积比较“肥大”。孤电子对的这种特性,使它比键对更强烈的排斥相邻电子对,导致孤电子对与相邻电子对之间平均距离大于成键电子对与同一电子对之间的平均距离。因此,对于具有相同价层电子对总数的分子或离子来说,由于互斥作用的强弱不同,若中心原子价层轨道上存在孤电子对,则诸电子对在空间的排布就要偏离标准键角。孤电子对越多,键角愈小。
重键效应
分子中存在重键时,虽然键电子不影响分子骨架,但由于重键中包含的电子数比单键中的电子数多,所占据的空间大于单键中的两个电子所占据的空间,所以排斥力强。这样多重键的存在,将进一步影响分子的键角,使得分子中含有重健的键角较大,而单键之间的键角较小。例如,X2C=O型分子,由于存在双键,双键一单键排斥大于单键—单键排斥,使键角 电负性效应 一中心原子和配位原子的电负性,也将影响分子的键角。当与中心原子键合的配位原子电负性增大时,成键电子对将向配位体方向移动,离中心原子较远,使键对间的斥力减小,从而键角也随之减小。即键角随配位原子电负性的增加而减小。同理,当配位原子相同,中心原子不同时,随中心原子电负性增大,价电子对偏向中心原子,电子对之间斥力增加,从而使生成的键角增大,即键角随中心原子电负性增加增大。 键的极性是由于成键原子的电负性不同而引起的。当成键原子的电负性相同时,核间的电子云密集区域在两核的中间位置,两个原子核正电荷所形成的正电荷重心和成键电子对的负电荷重心恰好重合,这样的共价键称为非极性共价键(nonpolar covalent bond)。如氢气、氧气分子中的共价键就是非极性共价键。当成键原子的电负性不同时,核间的电子云密集区域偏向电负性较大的原子一端,使之带部分负电荷,而电负性较小的原子一端则带部分正电荷,键的正电荷重心与负电荷重心不重合,这样的共价键称为极性共价键(polar covalent bond)。如HCl分子中的H-Cl键就是极性共价键。 键级又称键序,是分子轨道法中表示相邻的两个原子成键强度的一种数值。对双原子分子来说,把成键电子数与反键电子数的差值的一半,称为键级。在形成共价键时,成键轨道上的电子称为成键电子,它使体系的能量降低,有利于形成稳定的键;反键轨道上的电子称作反键电子,它使体系的能量升高,不利于形成稳定的键。可见,键级是衡量化学键相对强弱的参数,键级愈大,键愈稳定,若键级为零,则不能成键。