Калькулятор порядка связи - Определение прочности молекулярной связи

Что такое кратность химической связи?

Кратность химической связи — это число, показывающее, сколько химических связей соединяет два атома в молекуле. Это понятие происходит из теории молекулярных орбиталей — модели химической связи, согласно которой электроны заполняют общие орбитали, охватывающие всю молекулу, а не остаются на одном атоме. Кратность связи 1 означает одинарную связь, 2 — двойную, а 3 — тройную. Кратность связи также позволяет предсказать прочность и длину связи: чем она выше, тем короче и прочнее связь.

Формула кратности химической связи

Молекулярные орбитали бывают двух типов. Связывающая орбиталь содержит электроны, которые притягивают два атома друг к другу. Разрыхляющая орбиталь содержит электроны, которые отталкивают атомы. Кратность связи рассчитывают по числу электронов каждого типа:

$\text{Кратность химической связи} = \frac{\text{связывающие электроны} - \text{разрыхляющие электроны}}{2}$

Деление на 2 учитывает тот факт, что одной связи соответствует одна общая пара электронов.

Как рассчитать кратность химической связи

1. Найдите диаграмму молекулярных орбиталей для молекулы или определите число её валентных электронов.
2. Подсчитайте электроны на связывающих орбиталях (обозначаются σ и π).
3. Подсчитайте электроны на разрыхляющих орбиталях (обозначаются σ* и π*).
4. Вычтите число разрыхляющих электронов из числа связывающих.
5. Разделите результат на 2.

Пример расчёта: кислород (O₂)

У кислорода 12 валентных электронов. Заполнение диаграммы молекулярных орбиталей помещает 8 электронов на связывающие орбитали и 4 — на разрыхляющие.

Кратность связи = (8 − 4) / 2 = 2

Это соответствует двойной связи O=O, наблюдаемой химиками экспериментально. Модель молекулярных орбиталей также объясняет, почему O₂ парамагнитен (притягивается магнитным полем): два его разрыхляющих электрона являются неспаренными, чего не показывает простая структура Льюиса.

Распространённые молекулы и их кратность связей

Дробные значения кратности связи, например 2,5 для монооксида азота (NO), возникают, когда молекула имеет нечётное число электронов или её структура представляет собой сочетание нескольких вариантов. Хорошо известный пример, отсутствующий в этой таблице, — бензол: кратность каждой связи углерод—углерод равна 1,5, то есть занимает промежуточное положение между одинарной и двойной связью, поскольку электроны кольца равномерно распределены между всеми шестью атомами углерода, а не закреплены в определённых местах.

Тройная связь в азоте необычно прочна, поэтому газ N₂ с трудом распадается, хотя азот составляет большую часть атмосферы Земли. Фтор, несмотря на высокую реакционную способность, образует в F₂ только одинарную связь; эта сравнительно слабая связь — одна из причин, по которым F₂ так легко реагирует с другими веществами.

Использование калькулятора

Введите химическую формулу в поле ввода, например O2, N2, CO или H2O, используя обычные цифры вместо нижних индексов. Кратность связи появляется автоматически сразу после ввода распознанной формулы; отдельной кнопки нажимать не нужно. Выберите Reset, чтобы очистить поле.

Формулы чувствительны к регистру: CO (монооксид углерода) — не то же самое, что co или Co. Инструмент распознаёт фиксированный список из 37 распространённых молекул: 13 двухатомных гомоядерных молекул, таких как H₂ и O₂, а также 24 простых соединений, таких как CO₂, NH₃ и NaCl. Для молекулы, содержащей более двух атомов, он выдаёт кратность основной связи, а не отдельное значение для каждой связи. Для CO₂ это связь C=O, поэтому ответ равен 2; для этена (C₂H₄) это связь C=C, поэтому ответ также равен 2, а не среднему значению с учётом четырёх одинарных связей C–H. Если формулы нет в списке, появляется сообщение о недоступности значения кратности связи.

Диаграмма рядом с результатом изображает одной линией каждую целую связь, как это делается в структурной формуле: одна линия для одинарной связи, две для двойной, три для тройной. Для дробной кратности связи к оставшейся части связи добавляется пунктирная линия, поэтому NO (2,5) изображается двумя сплошными линиями и одной пунктирной.

Как кратность связи связана с её прочностью и длиной

Кратность связи и длина связи изменяются в противоположных направлениях: при увеличении кратности длина связи уменьшается. Кратность и прочность связи изменяются согласованно: при увеличении кратности возрастает и энергия, необходимая для разрыва связи. Связи углерод—углерод ясно показывают эту закономерность.

Та же закономерность проявляется в инфракрасной спектроскопии — методе, который идентифицирует связи по частоте поглощаемого ими света. Тройные связи колеблются на более высоких частотах, чем двойные, а двойные — на более высоких, чем одинарные, поэтому химики часто могут определить тип связи только по положению полосы поглощения инфракрасного света образцом.

Ограничения понятия кратности связи

Приведённая выше формула хорошо работает для простых ковалентных молекул, в которых два атома непосредственно делятся электронами. В других случаях её применение менее однозначно.

Для молекул с резонансом, таких как бензол или озон, получают только усреднённую кратность связи, а не значение для одной определённой структуры. В соединениях переходных металлов участвуют d-орбитали и другие эффекты, которые базовая формула «связывающие электроны минус разрыхляющие» не учитывает; для таких случаев химики используют более специальные методы, например кратность связи Майера.

Ионные соединения — это совершенно отдельный случай. Хлорид натрия (NaCl) удерживается электрическим притяжением между ионами Na⁺ и Cl⁻, а не общей парой электронов на молекулярной орбитали. Кратность связи в рамках теории молекулярных орбиталей строго не описывает такой тип связи. В некоторых справочных таблицах, включая этот калькулятор, всё же указывают номинальное значение, рассчитанное по формуле Льюиса (1 для NaCl, 2 для MgO), но это число не имеет того же физического смысла, что для ковалентной молекулы вроде O₂ или N₂.

Часто задаваемые вопросы

Что такое кратность связи простыми словами? Это число, показывающее, сколько связей удерживает два атома вместе: 1 для одинарной связи, 2 для двойной, 3 для тройной и дробные значения, такие как 1,5, для молекул с резонансом.

Как рассчитывают кратность связи? Из числа связывающих электронов вычитают число разрыхляющих электронов, а затем делят результат на 2.

Почему у азота (N₂) кратность связи выше, чем у кислорода (O₂)? В N₂ только 2 разрыхляющих электрона, тогда как в O₂ их 4. Меньшее число разрыхляющих электронов означает более прочную результирующую связь, поэтому кратность связи N₂, равная 3, выше, чем кратность связи O₂, равная 2.

Может ли кратность связи быть дробной? Да. Молекулы с нечётным числом валентных электронов или с резонансом между несколькими структурами имеют дробную кратность связей, например 2,5 для NO или 1,5 для связей углерод—углерод в бензоле.

Всегда ли более высокая кратность связи означает более устойчивую молекулу? Обычно более высокая кратность означает более прочную отдельную связь, но общая устойчивость молекулы также зависит от геометрии, резонанса и устойчивости продуктов, которые образуются в результате реакции.

Применимо ли понятие кратности связи к ионным соединениям, например к поваренной соли? Не в строгом смысле теории молекулярных орбиталей. Ионные соединения удерживаются притяжением между заряженными ионами, а не общими электронными парами, поэтому формула «связывающие электроны минус разрыхляющие» фактически их не описывает, даже если для удобства указано номинальное значение.

Источники

1. Малликен, Р. С. (1955). «Анализ электронной заселённости молекулярных волновых функций LCAO-MO». The Journal of Chemical Physics, 23(10), 1833–1840.
2. Полинг, Л. (1931). «Природа химической связи». Journal of the American Chemical Society, 53(4), 1367–1400.
3. Аткинс, П. У. и де Паула, Дж. (2014). Физическая химия Аткинса (10-е изд.). Oxford University Press.
4. Хаускрофт, К. Э. и Шарп, А. Г. (2018). Неорганическая химия (5-е изд.). Pearson.