Довжина хімічного зв'язку

Довжина́ хімі́чного зв'язку́ — середня відстань між ядрами двох зв'язаних атомів у молекулі. Це властивість пари атомів, яка майже не змінюється від сполуки до сполуки. Термін використовується в молекулярній геометрії.

Пояснення

Довжина хімічного зв'язку залежить від його порядку: коли в формуванні зв'язку бере участь більше електронів, зв'язок коротший. Вона також обернено залежить від сили зв'язку та від енергії розриву зв'язку: за умови рівності інших факторів, сильний зв'язок буде коротшим. Якщо зв'язок утворюють два однакові атоми, то половина його довжини дорівнює ковалентному радіусу.

Довжину хімічного зв'язку вимірюють в твердій фазі за допомогою рентгенівської дифракції або апроксимують в газовій фазі за допомогою спектроскопії мікрохвильового діапазону. Довжина пари атомів у різних молекулах може відрізнятися. Наприклад, зв'язок між атомами Карбону та Гідрогену в молекулі метану інший, ніж у хлорометані. Однак за умови схожості структур можна робити узагальнення.

Довжини зв'язків Карбону з іншими елементами

Нижче наведено експериментальні значення довжин зв'язків, які утворює з іншими елементами Карбон. Довжини наведено в пікометрах. Наближено довжина зв'язку між різними атомами дорівнює сумі ковалентних радіусів (їх наведено в статтях про кожен із елементів). Загальна тенденція — зменшення довжин в рядку періодичної таблиці та збільшення вниз у стовпчику. Ця тенденція ідентична схожій для атомного радіусу.

Довжина зв'язків Карбону з іншими атомами[1]
ЕлементДовжина зв'язку (пм)Група
H106–112група 1
Be193група 2
Mg207група 2
B156група 13
Al224група 13
In216група 13
C120–154група 14
Si186група 14
Sn214група 14
Pb229група 14
N147–210група 15
P187група 15
As198група 15
Sb220група 15
Bi230група 15
O143–215група 16
S181–255група 16
Cr192група 6
Se198–271група 16
Te205група 16
Mo208група 6
W206група 6
F134група 17
Cl176група 17
Br193група 17
I213група 17

Довжина хімічного зв'язку в органічних сполуках

Довжина хімічного зв'язку в молекулі залежить не тільки від пари атомів, але також від таких факторів, як гібридизація орбіталей та від електронної й стеричної природи складників. Довжина зв'язку між двома атомами Карбону в алмазі становить 154 пм, що є найбільшим значенням для одиночного ковалентрого зв'язку між двома Карбонами. Оскільки атомна одиниця довжини (тобто, радіус Бора) дорівнює 52,9177 пм, C–C зв'язок становить 2,91 атомних одиниць, тобто приблизно три радіуси Бора.

Існують зв'язки з незвично великими довжинами. В одній сполуці, трициклобутабензолі, спостерігався зв'язок 160 пм завдовжки. Чинний рекорд тримає інший циклобутабензол, у якого за даними рентгенівської кристалографії довжина зв'язку дорівнює 174 пм[2]. У сполуках цього типу кільце циклобутану нав'язку кут 90° між атомами Карбону бензолового кільця, для якого звичне значення становить 120°.

Циклобутабензол з довжиною зв'язку 174 пм (позначено червоним).

Повідомлялося про існування дуже довгих C–C зв'язків, з довжиною до 290 пм, в димері двох діаніонів тетраціаноетилену, хоча там зв'язок особливий, з 2 електронами та 4 центрами[3][4]. Зв'язки цього типу спостерігалися також в нейтральних димерах феналену. Довжина цих так званих «млинцевих зв'язків»[5] може сягати 305 пм.

Можливі також коротші ніж звично C–C зв'язки: алкени та алкіни мають довжину зв'язку 133 та 120 пм, відповідно, завдяки збільшеній гібридизації сігма-зв'язку. У бензолі всі зв'язки мають однакову довжину: 139 пм. Підвищений внесок сігма-зв'язування в одиночному зв'язку між атомами Карбону помітний також в центральному зв'язку діацетилену (137 пм) та в деяких димерах тетраедрану (144 пм).

У пропіонітрилі ціанова група відтягає на себе електрони, що теж призводить до зменшення довжини зв'язку (144 пм). Стиснення C–C зв'язку можливе також завдяки напруженню. Існує незвична органічна сполука з назвою In-метилциклопропан, в якій відстань між метиловими групами 147 пм утворюється за рахунок стиснення між триптиценом та феніловою групою. У in silico експерименті довжину зв'язку 136 пм за оцінками має неопентан замкнений у фулерені[6]. Теоретично найменший C–C зв'язок, отриманий у цій роботі становить 131 пм для гіпотетичних похідних тетраедрану[7].

За оцінками тієї ж роботи розтягнення або стискання C–C зв'язку в етані на 5 пм потребує від 2,8 та 3,5 кДж/моль, відповідно. Розтягнення чи стискання того ж зв'язку на 15 пм потребує за оцінками21,9 та 37,7 кДж/моль.



Довжина зв'язку в органічних сполуках[8][9]
C–HДовжина (пм)C–CДовжина (пм)Мультизв'язкидовжина (пм)
sp3–H110sp3–sp3154бензол140
sp2–H109sp3–sp2150алкен134
sp–H108sp2–sp2147алкін120
sp3–sp146ален130
sp2–sp143
sp–sp137

Виноски
  1. Handbook of Chemistry & Physics (вид. 65th). CRC Press. 1984. ISBN 0-8493-0465-2.
  2. Fumio Toda (April 2000). Naphthocyclobutenes and Benzodicyclobutadienes: Synthesis in the Solid State and Anomalies in the Bond Lengths. European Journal of Organic Chemistry 2000 (8): 1377–1386. doi:10.1002/(SICI)1099-0690(200004)2000:8<1377::AID-EJOC1377>3.0.CO;2-I. Архів оригіналу за 29 червня 2012. Процитовано 25 квітня 2017.
  3. Novoa J. J.; Lafuente P.; Del Sesto R. E.; Miller J. S. (2 липня 2001). Exceptionally Long (2.9 Å) C–C Bonds between [TCNE]− Ions: Two-Electron, Four-Center π*–π* C–C Bonding in π-[TCNE]22−. Angewandte Chemie International Edition 40 (13): 2540–2545. doi:10.1002/1521-3773(20010702)40:13<2540::AID-ANIE2540>3.0.CO;2-O. Архів оригіналу за 29 червня 2012. Процитовано 25 квітня 2017.
  4. Lü J.-M.; Rosokha S. V.; Kochi J. K. (2003). Stable (Long-Bonded) Dimers via the Quantitative Self-Association of Different Cationic, Anionic, and Uncharged -Radicals: Structures, Energetics, and Optical Transitions. J. Am. Chem. Soc. 125 (40): 12161–12171. doi:10.1021/ja0364928.
  5. Suzuki S.; Morita Y.; Fukui K.; Sato K.; Shiomi D.; Takui T.; Nakasuji K. (2006). Aromaticity on the Pancake-Bonded Dimer of Neutral Phenalenyl Radical as Studied by MS and NMR Spectroscopies and NICS Analysis. J. Am. Chem. Soc. 128 (8): 2530–2531. doi:10.1021/ja058387z.
  6. Huntley D. R.; Markopoulos G.; Donovan P. M.; Scott L. T.; Hoffmann R. (2005). Squeezing C–C Bonds. Angewandte Chemie International Edition 44 (46): 7549–7553. PMID 16259033. doi:10.1002/anie.200502721.
  7. Martinez-Guajardo G.; Donald K. J.; Wittmaack B. K.; Vazquez M. A.; Merino G. (2010). Shorter Still: Compresing C–C Single Bonds. Organic Letters, ASAP 12 (18): 4058. doi:10.1021/ol101671m.
  8. Fox, Marye Anne; Whitesell, James K. (1995). Organische Chemie: Grundlagen, Mechanismen, Bioorganische Anwendungen. Springer. ISBN 978-3-86025-249-9.
  9. Prof Chao-Jun Li, Ph.D. in lecture, March 2009 (needs citation)
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.