Прочность химических связей соединений элементов второго периода

Химичес- кий элемент	Соединения
С кислородом (оксиды)	С азотом (нитриды)	С углеродом (карбиды)	С бором (бориды)	С водородом (гидриды)
O	493 (650)			- 800±10	268±197
N	-		-	- -	- -
C		- -		812±40 -	- - -
B	- 800±100 -	-	812±40 -	276±21 - -	338 (452) - -
H					432 (255)
Cl		-	393±29
S	550 (521)	460±21			349±8
P	594±10	730±3	-	-	343±30
Si		-	430±21	-	302±21
Al	750±13		-	-

Из табл. 2 видно, что наибольшей прочностью обладают ионоковалентные и ковалентные тройные связи, затем ионоковалентные двойные связи второго периода:

C⁺ºO^- (1072 кДж/моль) B⁺ºN^- (830 кДж/моль)

N ºN ( 946 кДж/моль) B⁺ºC^- (812 кДж/моль)

C ºC ( 837 кДж/моль) B ºO^- (800 кДж/моль)

Такие же связи, но менее прочные, вследствие увеличения атомных радиусов, образуют аналоги элементов третьего периода:

Si⁺ºO^- (803 кДж/моль)

Al⁺ºO^- (750 кДж/моль)

P⁺ ºO^- (800 кДж/моль)

Из перечисленных соединений нитриды, карбиды, бориды и гидриды в природе встречаются редко, т.к. при образовании минералов (в период остывания магмы) атомы азота, обладающие сильными связями (до 946 кДж/моль), объединялись в молекулы азота и выделялись в атмосферу, атомы углерода соединились с атомами кислорода (их прочность связей достигает 1072 кДж/моль) и тоже выделялись в атмосферу в виде углекислого газа. Относительно невысокое содержание углекислого газа в атмосфере объясняется тем, что он поглощается растениями и вступает в соединения с металлами, образуя карбонаты. При отсутствии углерода и азота бор образует прочные связи с кислородом воздуха - оксиды бора, которые являются структурными элементами боритов. Водород так же имеет наиболее прочные связи с кислородом, что приводит к образованию воды (гидросферы).

Широко распространены в природе только оксиды. Кислород является связующим элементом почти всех (за небольшим исключением) соединений неорганического мира. Кислород в неорганическом мире имеет такое же значение, как углерод в органическом

Много кислорода содержится в воздухе (21 %), а в виде соединений ОН находится в земной коре (около 50 %) и воде. Кислород образует прочные связи со всеми элементами. Наиболее прочны связи кислорода с углеродом, азотом, бором, серой, фосфором, вольфрамом, ниобием, титаном, танталом, с которыми он образует классы окислов, карбидов, нитратов, боритов, сульфатов, вольфрамов, титано-тантало-ниобатов и других минералов.

Из окислов наиболее прочные соединения кислорода с углеродом (СО) - 1076 кДж/моль, с кремнием SiO (803 кДж/моль), алюминием AlO (750 кДж/моль), поэтому около 90 % земной коры представлено силикатами и алюмосиликатами. По прочности связь близка к прочности алмаза (873 кДж/моль), но поскольку атомный радиус обладает большим размером, то прочность кварца почти в 10 раз меньше прочности алмаза. Кроме того, на прочность минерала оказывает влияние и плотность упаковки атомов.

Плотность упаковки корунда значительно выше, чем у кварца, поэтомy,несмотря на меньшую прочность химических связей, он ближе по твердости к алмазу.

Но не только химические связи определяют прочность минерала и породы в целом. Большое влияние на нее оказывает тип структуры минерала. При координационной структуре и плотной упаковке кристаллов связь равномерная, а прочность связей максимальная. При островной и кольцевой структуре твердость минерала зависит от катиона, связывавшего полиэдры (чаще всего тетраэдры). Для железисто-магнезиальных островных силикатов она равна около 7. Для кольцевых минералов с ионными типами связей малой крепости - 3-4 (ангидрид, апатит и др.).

Каркасные силикаты в связи с пористой структурой имеют, несколько меньшую твердость (около 6). Листовые силикаты имеют прочные связи в листах, но между листами химические (межатомные) связи отсутствуют. Здесь действуют только слабые межмолекулярные связи. Твердость таких минералов низка (1-3).

Тип структуры, плотность упаковки минералов, а, следовательно, прочность межатомных связей зависят от давления и температуры их кристаллизации. Координационная и островная структуры с плотной упаковкой атомов (алмаз, гранаты и др.) характерны для минералов, образованных при высоком давлении и температуре. Каркасные силикаты с неплотной упаковкой образуются при относительно небольших давлениях и температуре.

Как видно из формулы (1), поляризация атомов под воздействием сильно электроотрицательных соседних атомов-партнеров резко повышает прочность связей. При сильном воздействии электроотрицателъности соседнего атома (или электрического поля группы атомов) за счет сильной поляризации даже одновалентные атомы (например, водород) могут приобрести вторую координационную (донорно-акцепторную) связь. Частным случаем такой связи является водородная связь.