Программное обеспечение для вычисления степени ионности и полярности химической связи в бинарных соединениях

В данной работе рассмотрены основные типы химической связи, а также формулы, с помощью которых можно рассчитать полярность химической связи и степень ее ионности. Для простоты формулы применяются для случая бинарных молекул, то есть молекул, состоящих из двух атомов, одинаковых или различных. В качестве шкалы электроотрицательности выбрана самая популярная и используемая в мировой науке мире шкала Лайнуса Полинга, основанная на энергии химической связи. Расчет полярности и степени ионности связи реализованы в виде компьютерной программы, написанной на языке С++ как одном из самых многофункциональных и востребованных языков программирования в мире. На вход программа получает значения электроотрицательности двух атомов, а на выходе выдает полярность, степень ионности и тип химической связи.

Ключевые слова: типы химической связи, электроотрицательность, шкала Полинга, степень ионности связи, полярность химической связи.

Введение

Химической связью называют электромагнитное взаимодействие атомов, обусловливающее устойчивость молекулы или кристалла. Такое электромагнитное взаимодействие сводится к взаимодействию между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами, причем с учетом квантовых эффектов, поэтому описывается квантовой механикой. Главными характеристиками химической связи являются длина, энергия, кратность, полярность и степень ионности связи. Существуют шесть основных типов химической связи: металлическая, ковалентная (неполярная и полярная), ионная, Ван-дер-ваальсова, водородная, двухэлектронная трехцентровая. Причём в рамках школьного курса химии изучаются металлическая, ковалентная неполярная, ковалентная полярная, ионная и водородная связи.

Ярко выраженные ионные связи обычно образуются в молекулах, в состав которых входят катионы 1 и 2 групп периодической таблицы и анионы неметаллов 6 и 7 групп. Связи в ионных соединениях ненасыщенные, радиально направленные, поэтому возможность взаимодействовать с другими ионами у них сохраняется. Для таких веществ характерна наиболее плотная упаковка молекул в пространстве. Металлическая связь образуется между атомами в металле, возникает за счёт обобществления свободных электронов, связь которых с ядрами атомов слаба (так называемый электронный газ). Ковалентная неполярная связь образуется между двумя одинаковыми атомами. Так как одинаковые атомы имеют одинаковую электроотрицательность (способность смещать к себе общие электронные пары), то при ковалентной неполярной связи в молекулах электронные пары находятся на одинаковых расстояниях от ядер атомов. Ковалентная полярная связь образуется, когда связанные в молекулы атомы имеют разную электроотрицательность, но не столь сильно отличающуюся, как при ионной связи. Обычно такая связь образуется между атомами разных неметаллов. Ковалентная связь является узконаправленной, плотная упаковка молекул для нее не характерна. В результате смещения общей электронной пары к одному из атомов на нем образуется частичный отрицательный заряд (являющийся дробным числом), а на другом атоме — равный по модулю положительный заряд. Водородной связью называют связь между атомом с высокой электроотрицательностью и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом (в качестве такового могут выступать N,O,Cl и F). Водородные связи могут быть межмолекулярными и внутримолекулярными, энергия водородных связей мала (не превосходит 40 кДж/моль), однако водородная связь оказывает очень существенное влияние на свойства веществ. [1], [2].

Расчет степени ионности и полярности химической связи в бинарных соединениях

Полярность химической связи — характеристика связи, показывающая отличие распределения электронной плотности в пространстве вокруг ядер атомов в молекуле по сравнению с распределением электронной плотности в нейтральных атомах, образующих молекулу. Ковалентные связи слабо полярны, ионные сильно полярны. Характеристикой химической связи, близкой к полярности, но не тождественной ей, является степень ионности связи. Она характеризует степень смещения электронного облака от середины межатомного расстояния к одному из соседних атомов. При изучении свойств молекул, физико-химических расчетах и проектировании химических соединений очень важно провести расчет этих двух чрезвычайно важных характеристик химической связи.

Самый простой тип химических соединений — бинарные, то есть состоящие из двух одинаковых или различных атомов. Степень ионности связи можно вычислить по канонической формуле Лайнуса Полинга

где e — число Леонарда Эйлера, a = 0,22  — поправочный коэффициент [3], и  — электроотрицательности первого и второго элементов соответственно по шкале Полинга (основана на энергии связи при образовании сложного вещества из простых) [4]. При i = 0 связь ковалентная неполярная, если элемент — неметалл, либо связь металлическая, если элемент — металл. Для ковалентной полярной связи i обычно принимают 0<i<0,5; для ионной связи 0,5i<1. Можно выразить значение степени ионности связи в процентах, умножив полученный результат на 100 %.

Также, зная электроотрицательность составляющих бинарную молекулу элементов, можно приближенно оценить полярность связи

p = 1 , где и  — электроотрицательности первого и второго элементов, причем < [5].

Если элементы, составляющие молекулу, одинаковы, то p = 0, вещество является простым, степени окисления атомов нулевые. При различных элементах p0, степени окисления атомов, входящих в состав молекулы, отличны от нуля.

Для удобства вычислений степени ионности связи i и полярности связи p ниже представлена программа, написанная на языке программирования С++

#include <iostream>

#include <cmath>

using namespace std;

int main()

{

cout<<«Введите значение электроотрицательности первого элемента”<<endl;

cin>>h1;

cout<<«Введите значение электроотрицательности второго элемента”<<endl;

cin>>h2;

i = (1-exp(-0.22*pow((h2-h1),2)))*100;

cout<<«Степень ионности связи i = "<<i<<" процента”<<endl;

if (i==0)

cout<<«Связь ковалентная неполярная (если элемент — неметалл) или металлическая (если элемент — металл)"<<endl;

if (i<50&&i!=0)

cout<<«Связь ковалентная полярная”<<endl;

cout<<«Cвязь ионная”<<endl;

if (h1<=h2)

p = 1-h1/h2;

else

p = 1-h2/h1;

cout<<«Полярность связи p = "<<p<<endl;

return 0;

}

Заключение

В данной работе были рассмотрены основные типы химической связи, а также приведены формулы для вычисления полярности и степени ионности связи. Для удобства расчета полярности и степени ионности по этим формулам продемонстрирована компьютерная программа, написанная на языке программирования C++

Литература:

1. Бердетт Дж. Химическая связь. Москва, Бином. Лаборатория знаний, 2008.248 с.
2. Маррел Дж., Кеттл С.,Теддер Дж. Химическая связь. Москва, Мир, 1980.384 с.
3. Бацанов С. С. Экспериментальные основы структурной химии. Москва, Издательство стандартов, 1986.240 с.
4. Pauling L. The Nature of the chemical Bond. Ithaca: Cornell Univ. Press, 1960.644 p.
5. Терентьев В. А. Концепция полярности химической связи как относительной разности электроотрицательности атомов. Журнал структурной химии, 1993, Т.34. № 5. стр.181–183.