Связь в молекуле азота (N₂) — одна из самых прочных и интересных с точки зрения химии. Давай разберём её максимально подробно и развернуто, начиная от электронного строения атома азота и заканчивая природой тройной связи в молекуле.
1. Электронное строение атома азота
Азот (N) — элемент 15 группы (V группа главной подгруппы) периодической таблицы. Его порядковый номер — 7, следовательно, в нейтральном атоме 7 электронов.
Распределение электронов по уровням:
1s² 2s² 2p³
То есть на внешнем энергетическом уровне (n=2) у азота 5 электронов:
2s² (2 электрона)
2p³ (3 неспаренных электрона)
Это очень важно: именно три неспаренных p-электрона принимают участие в образовании ковалентных связей.
2. Молекула азота N₂: строение
Молекула азота состоит из двух атомов азота, связанных тройной ковалентной связью.
2.1. Тройная связь в N₂
Обозначается как:
N≡N
Это означает, что между двумя атомами азота образуются:
Одна сигма-связь (σ) — от перекрывания двух p-орбиталей вдоль оси, соединяющей атомы (ось межъядерная),
Две пи-связи (π) — за счёт бокового перекрывания других двух пар p-орбиталей.
Итак, тройная связь включает:
1 σ-связь
2 π-связи
2.2. Гибридизация
Для атома азота в N₂ не требуется гибридизация, так как все связи формируются из негибридизованных p-орбиталей. Сигма-связь возникает при лобовом перекрывании p-orbitalей (2p_z), а пи-связи — при боковом перекрывании оставшихся p-орбиталей (2p_x и 2p_y).
3. Кратность связи и её свойства
Кратность связи: 3 (тройная связь).
Длина связи N≡N: ~0,110 нм (110 пм) — очень короткая.
Энергия связи: около 941 кДж/моль — одна из самых прочных ковалентных связей в природе.
Из-за этой высокой энергии разрыва, молекула азота очень инертна (малореакционноспособна при обычных условиях).
4. Молекулярная орбитальная теория (МОТ) — углублённый уровень
Согласно МОТ, молекула N₂ образуется при слиянии атомных орбиталей двух атомов азота, образуя молекулярные орбитали.
Упрощённая схема заполняемости МО орбиталей (до кислорода, в том числе для азота):
σ(1s) < σ*(1s) < σ(2s) < σ*(2s) < π(2p_x) = π(2p_y) < σ(2p_z) < π*(2p_x) = π*(2p_y) < σ*(2p_z)
Распределение электронов:
У каждого атома азота — 7 электронов → всего 14
Электронная конфигурация молекулы:
σ(1s)² σ*(1s)² σ(2s)² σ*(2s)² π(2p_x)² π(2p_y)² σ(2p_z)²
Порядок связи (по МОТ) = (число e⁻ на связывающих МО — число e⁻ на разрыхляющих МО)/2
= (10 – 4)/2 = 3
Это подтверждает тройную связь и объясняет её прочность.
5. Физико-химические свойства молекулы N₂, связанные с её связью
Инертность: высокая энергия связи делает молекулу стабильной и химически инертной при обычных условиях.
Использование в промышленности: для получения аммиака (NH₃) азот нужно активировать (например, при высоких температурах и давлениях — процесс Габера-Боша).
Температура кипения: −195,8 °C (связано с отсутствием дипольного момента и слабым межмолекулярным взаимодействием).
Дипольный момент: 0 (молекула симметрична и неполярна).
6. Итог
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Тип связи между атомами N | Тройная ковалентная (1 σ + 2 π) |
| Кратность связи | 3 |
| Энергия связи | ~941 кДж/моль |
| Длина связи | ~110 пм |
| Гибридизация атомов | Не требуется (используются чистые p-орбитали) |
| Электронная конфигурация атома N | 1s² 2s² 2p³ |
| Электронная конфигурация молекулы | σ(1s)² σ*(1s)² σ(2s)² σ*(2s)² π(2p)⁴ σ(2p)² |
| Порядок связи по МОТ | 3 |
| Полярность молекулы | Неполярная (дипольный момент = 0) |
| Реакционная способность | Низкая, требует высоких энергозатрат для активации |
Если хочешь, я могу также нарисовать схему молекулярных орбиталей или модель перекрывания орбиталей в N₂.
