Koncepcja wiązania chemicznego ma niemałe znaczenie w różnych dziedzinach chemii jako nauki. Wynika to z faktu, że to za jego pomocą poszczególne atomy są w stanie łączyć się w cząsteczki, tworząc wszelkiego rodzaju substancje, które z kolei są przedmiotem badań chemicznych.
Różnorodność atomów i cząsteczek wiąże się z powstawaniem między nimi różnego rodzaju wiązań. Różne klasy cząsteczek charakteryzują się własnymi cechami rozkładu elektronów, a co za tym idzie własnymi typami wiązań.
Podstawowe koncepcje
Wiązanie chemiczne to zespół oddziaływań, które prowadzą do wiązania atomów w stabilne cząstki o bardziej złożonej strukturze (cząsteczki, jony, rodniki), a także agregaty (kryształy, szkła itp.). Natura tych oddziaływań ma charakter elektryczny i powstają podczas rozkładu elektronów walencyjnych w zbliżających się atomach.
Walencja jest zwykle nazywana zdolnością atomu do tworzenia określonej liczby wiązań z innymi atomami. W związkach jonowych za wartość walencyjną przyjmuje się liczbę danych lub przyłączonych elektronów. Ww związkach kowalencyjnych jest równa liczbie wspólnych par elektronów.
Stan utlenienia jest rozumiany jako ładunek warunkowy, który mógłby znajdować się na atomie, gdyby wszystkie polarne wiązania kowalencyjne były jonowe.
Wielkość wiązań to liczba wspólnych par elektronów między rozważanymi atomami.
Wiązania rozważane w różnych gałęziach chemii można podzielić na dwa rodzaje wiązań chemicznych: te, które prowadzą do powstania nowych substancji (wewnątrzcząsteczkowe), oraz te, które powstają między cząsteczkami (międzycząsteczkowe).
Podstawowe cechy komunikacji
Energia wiązania to energia wymagana do zerwania wszystkich istniejących wiązań w cząsteczce. Jest to również energia uwalniana podczas tworzenia więzi.
Długość wiązania to odległość między sąsiednimi jądrami atomów w cząsteczce, przy której siły przyciągania i odpychania są zrównoważone.
Te dwie cechy wiązania chemicznego atomów są miarą jego siły: im krótsza długość i im większa energia, tym silniejsze wiązanie.
Kąt wiązania jest zwykle nazywany kątem między przedstawionymi liniami przechodzącymi w kierunku wiązania przez jądra atomów.
Metody opisywania linków
Najczęstsze dwa podejścia do wyjaśnienia wiązania chemicznego zapożyczone z mechaniki kwantowej:
Metoda orbitali molekularnych. Uważa cząsteczkę za zbiór elektronów i jąder atomów, przy czym każdy pojedynczy elektron porusza się w polu działania wszystkich innych elektronów i jąder. Cząsteczka ma strukturę orbitalną, a wszystkie jej elektrony są rozmieszczone wzdłuż tych orbit. Metoda ta nazywa się również MO LCAO, co oznacza „orbital molekularny – liniowa kombinacja orbitali atomowych”.
Metoda wiązań walencyjnych. Reprezentuje cząsteczkę jako układ dwóch centralnych orbitali molekularnych. Ponadto każdemu z nich odpowiada jedno wiązanie między dwoma sąsiednimi atomami w cząsteczce. Metoda opiera się na następujących postanowieniach:
- Tworzenie wiązania chemicznego jest realizowane przez parę elektronów o przeciwnych spinach, które znajdują się pomiędzy dwoma rozważanymi atomami. Utworzona para elektronów należy jednakowo do dwóch atomów.
- Liczba wiązań utworzonych przez jeden lub drugi atom jest równa liczbie niesparowanych elektronów w stanie podstawowym i wzbudzonym.
- Jeżeli pary elektronów nie biorą udziału w tworzeniu wiązania, to nazywa się je parami samotnymi.
Elektronegatywność
Możliwe jest określenie rodzaju wiązania chemicznego w substancjach na podstawie różnicy wartości elektroujemności atomów składowych. Elektroujemność rozumiana jest jako zdolność atomów do przyciągania wspólnych par elektronów (obłok elektronów), co prowadzi do polaryzacji wiązań.
Istnieją różne sposoby określania wartości elektroujemności pierwiastków chemicznych. Jednak najczęściej stosowana jest skala oparta na danych termodynamicznych, zaproponowana już w 1932 roku przez L. Paulinga.
Im większa różnica w elektroujemności atomów, tym wyraźniejsza jest ich jonowość. Wręcz przeciwnie, równe lub bliskie wartości elektroujemności wskazują na kowalencyjny charakter wiązania. Innymi słowy, można matematycznie określić, które wiązanie chemiczne jest obserwowane w określonej cząsteczce. W tym celu należy obliczyć ΔX - różnicę elektroujemności atomów według wzoru: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Jeśli ΔХ>1, 7, to wiązanie jest jonowe.
- Jeśli 0,5≦ΔХ≦1,7, to wiązanie kowalencyjne jest polarne.
- Jeśli ΔХ=0 lub blisko niego, to wiązanie jest kowalencyjne niepolarne.
Wiązanie jonowe
Jonowe to takie wiązanie, które pojawia się między jonami lub w wyniku całkowitego wycofania wspólnej pary elektronów przez jeden z atomów. W substancjach ten rodzaj wiązania chemicznego jest realizowany przez siły przyciągania elektrostatycznego.
Jony to naładowane cząstki utworzone z atomów w wyniku zdobywania lub utraty elektronów. Kiedy atom przyjmuje elektrony, uzyskuje ładunek ujemny i staje się anionem. Jeśli atom przekazuje elektrony walencyjne, staje się dodatnio naładowaną cząsteczką zwaną kationem.
Jest to charakterystyczne dla związków powstałych w wyniku oddziaływania atomów typowych metali z atomami typowych niemetali. Głównym elementem tego procesu jest dążenie atomów do uzyskania stabilnych konfiguracji elektronowych. A do tego typowe metale i niemetale muszą dawać lub przyjmować tylko 1-2 elektrony,co robią z łatwością.
Mechanizm tworzenia jonowego wiązania chemicznego w cząsteczce jest tradycyjnie rozważany na przykładzie interakcji sodu i chloru. Atomy metali alkalicznych łatwo oddają elektron przyciągany przez atom halogenu. Rezultatem jest kation Na+ i anion Cl-, które są utrzymywane razem przez przyciąganie elektrostatyczne.
Nie ma idealnego wiązania jonowego. Nawet w takich związkach, które często określa się jako jonowe, nie dochodzi do ostatecznego przeniesienia elektronów z atomu na atom. Utworzona para elektronów nadal pozostaje w powszechnym użyciu. Dlatego mówią o stopniu jonizacji wiązania kowalencyjnego.
Wiązanie jonowe charakteryzuje się dwiema głównymi właściwościami powiązanymi ze sobą:
- bezkierunkowe, tzn. pole elektryczne wokół jonu ma kształt kuli;
- Nienasycenie, tj. liczba przeciwnie naładowanych jonów, które można umieścić wokół dowolnego jonu, jest określona przez ich rozmiar.
Kowalencyjne wiązanie chemiczne
Wiązanie utworzone, gdy chmury elektronów atomów niemetali zachodzą na siebie, to jest realizowane przez wspólną parę elektronów, nazywane jest wiązaniem kowalencyjnym. Liczba wspólnych par elektronów określa krotność wiązania. Tak więc atomy wodoru są połączone pojedynczym wiązaniem H··H, a atomy tlenu tworzą podwójne wiązanie O::O.
Istnieją dwa mechanizmy jego powstawania:
- Wymiana - każdy atom reprezentuje jeden elektron do utworzenia wspólnej pary: A +B=A: B, podczas gdy połączenie obejmuje zewnętrzne orbitale atomowe, na których znajduje się jeden elektron.
- Donor-akceptor - aby utworzyć wiązanie, jeden z atomów (donor) dostarcza parę elektronów, a drugi (akceptor) - swobodny orbital do jego umieszczenia: A +:B=A:B.
Sposoby nakładania się chmur elektronów podczas tworzenia kowalencyjnego wiązania chemicznego są również różne.
- Bezpośredni. Obszar nakładania się chmur leży na prostej wyobrażonej linii łączącej jądra rozważanych atomów. W tym przypadku powstają wiązania σ. Rodzaj wiązania chemicznego, które występuje w tym przypadku, zależy od rodzaju zachodzących na siebie chmur elektronowych: wiązania s-s, s-p, p-p, s-d lub p-d σ. W cząstce (cząsteczce lub jonie) tylko jedno wiązanie σ może wystąpić między dwoma sąsiednimi atomami.
- Strona. Przeprowadzany jest po obu stronach linii łączącej jądra atomów. W ten sposób powstaje wiązanie π, możliwe są też jego odmiany: p-p, p-d, d-d. Oddzielone od wiązania σ, wiązanie π nigdy nie jest tworzone; może znajdować się w cząsteczkach zawierających wiązania wielokrotne (podwójne i potrójne).
Właściwości wiązania kowalencyjnego
Określają właściwości chemiczne i fizyczne związków. Główne właściwości każdego wiązania chemicznego w substancjach to jego kierunkowość, polaryzacja i polaryzowalność, a także nasycenie.
Kierunkowość wiązania determinuje cechy cząsteczkibudowa substancji i geometryczny kształt ich cząsteczek. Jego istota polega na tym, że najlepsze nakładanie się chmur elektronowych jest możliwe przy określonej orientacji w przestrzeni. Opcje tworzenia wiązań σ i π zostały już omówione powyżej.
Nasycenie jest rozumiane jako zdolność atomów do tworzenia określonej liczby wiązań chemicznych w cząsteczce. Liczba wiązań kowalencyjnych dla każdego atomu jest ograniczona liczbą orbitali zewnętrznych.
Biegunowość wiązania zależy od różnicy wartości elektroujemności atomów. Określa równomierność rozkładu elektronów między jądrami atomów. Wiązanie kowalencyjne na tej podstawie może być polarne lub niepolarne.
- Jeśli wspólna para elektronów w równym stopniu należy do każdego z atomów i znajduje się w tej samej odległości od ich jąder, to wiązanie kowalencyjne jest niepolarne.
- Jeśli wspólna para elektronów zostanie przesunięta do jądra jednego z atomów, wówczas powstaje kowalencyjne polarne wiązanie chemiczne.
Zdolność do polaryzacji wyraża się przesunięciem elektronów wiązań pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, które mogą należeć do innej cząstki, sąsiadujących wiązań w tej samej cząsteczce lub pochodzić z zewnętrznych źródeł pól elektromagnetycznych. Tak więc wiązanie kowalencyjne pod ich wpływem może zmienić swoją polaryzację.
Podczas hybrydyzacji orbitali zrozum zmiany w ich formach we wdrażaniu wiązania chemicznego. Jest to konieczne do osiągnięcia najbardziej efektywnego nakładania się. Istnieją następujące rodzaje hybrydyzacji:
- sp3. Jeden s- i trzy p-orbitale tworzą czteryorbitale „hybrydowe” o tym samym kształcie. Zewnętrznie przypomina czworościan o kącie między osiami wynoszącym 109°.
- sp2. Jeden orbital s i dwa orbitale p tworzą płaski trójkąt o kącie między osiami wynoszącym 120°.
- sp. Jeden orbital s i jeden p tworzą dwa orbitale „hybrydowe” o kącie między ich osiami wynoszącym 180°.
Wiązanie metalu
Cechą struktury atomów metalu jest dość duży promień i obecność niewielkiej liczby elektronów na orbitalach zewnętrznych. W rezultacie w takich pierwiastkach chemicznych wiązanie między jądrem a elektronami walencyjnymi jest stosunkowo słabe i łatwo zerwane.
Wiązanie metalu to takie oddziaływanie między atomami metalu-jonami, które odbywa się za pomocą zdelokalizowanych elektronów.
W cząsteczkach metali elektrony walencyjne mogą z łatwością opuszczać zewnętrzne orbitale, jak również zajmować na nich wolne miejsca. Tak więc w różnym czasie ta sama cząsteczka może być atomem i jonem. Oderwane od nich elektrony poruszają się swobodnie po całej objętości sieci krystalicznej i wykonują wiązanie chemiczne.
Ten rodzaj wiązania ma podobieństwa z jonowym i kowalencyjnym. Podobnie jak w przypadku jonów, jony są niezbędne do istnienia wiązania metalicznego. Ale jeśli do realizacji oddziaływania elektrostatycznego w pierwszym przypadku potrzebne są kationy i aniony, to w drugim rolę ujemnie naładowanych cząstek odgrywają elektrony. Jeśli porównamy wiązanie metaliczne z wiązaniem kowalencyjnym, to powstanie obu wymaga wspólnych elektronów. Jednak ww przeciwieństwie do polarnego wiązania chemicznego, nie są one zlokalizowane między dwoma atomami, ale należą do wszystkich cząstek metalu w sieci krystalicznej.
Wiązania metaliczne odpowiadają za szczególne właściwości prawie wszystkich metali:
- plastyczność, występująca ze względu na możliwość przemieszczania się warstw atomów w sieci krystalicznej utrzymywanej przez gaz elektronowy;
- metaliczny połysk, który obserwuje się dzięki odbiciu promieni świetlnych od elektronów (w stanie proszkowym nie ma sieci krystalicznej, a zatem poruszających się wzdłuż niej elektronów);
- przewodnictwo elektryczne, które jest przenoszone przez strumień naładowanych cząstek, a w tym przypadku małe elektrony poruszają się swobodnie wśród dużych jonów metali;
- przewodność cieplna zaobserwowana dzięki zdolności elektronów do przenoszenia ciepła.
Wiązanie wodorowe
Ten rodzaj wiązania chemicznego jest czasami nazywany pośrednikiem między interakcjami kowalencyjnymi i międzycząsteczkowymi. Jeśli atom wodoru ma wiązanie z jednym z pierwiastków silnie elektroujemnych (takich jak fosfor, tlen, chlor, azot), to jest w stanie utworzyć dodatkowe wiązanie, zwane wodorem.
Jest znacznie słabszy niż wszystkie rodzaje wiązań rozważanych powyżej (energia nie przekracza 40 kJ/mol), ale nie można go pominąć. Dlatego wiązanie chemiczne wodoru na schemacie wygląda jak linia przerywana.
Wystąpienie wiązania wodorowego jest możliwe dzięki jednoczesnemu oddziaływaniu elektrostatycznemu donor-akceptor. Duża różnica wartościelektroujemność prowadzi do pojawienia się nadmiernej gęstości elektronowej na atomach O, N, F i innych, a także do jej braku na atomie wodoru. W przypadku braku wiązania chemicznego między takimi atomami, siły przyciągania są aktywowane, jeśli są wystarczająco blisko. W tym przypadku proton jest akceptorem pary elektronów, a drugi atom jest donorem.
Wiązania wodorowe mogą wystąpić zarówno pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami, na przykład wodą, kwasami karboksylowymi, alkoholami, amoniakiem, jak i wewnątrz cząsteczki, na przykład kwasem salicylowym.
Obecność wiązania wodorowego między cząsteczkami wody wyjaśnia szereg jej unikalnych właściwości fizycznych:
- Wartości jego pojemności cieplnej, stałej dielektrycznej, temperatur wrzenia i topnienia, zgodnie z obliczeniami, powinny być znacznie mniejsze od rzeczywistych, co tłumaczy się wiązaniem cząsteczek i koniecznością wydatkowania energia do zerwania międzycząsteczkowych wiązań wodorowych.
- W przeciwieństwie do innych substancji, gdy temperatura spada, ilość wody wzrasta. Wynika to z faktu, że cząsteczki zajmują określoną pozycję w strukturze krystalicznej lodu i oddalają się od siebie o długość wiązania wodorowego.
To połączenie odgrywa szczególną rolę dla organizmów żywych, ponieważ jego obecność w cząsteczkach białek determinuje ich specjalną strukturę, a tym samym właściwości. Ponadto kwasy nukleinowe, tworzące podwójną helisę DNA, są również precyzyjnie połączone wiązaniami wodorowymi.
Komunikacja w kryształach
Zdecydowana większość ciał stałych ma sieć krystaliczną - specjalnąwzajemne ułożenie tworzących je cząstek. W tym przypadku obserwuje się trójwymiarową periodyczność, a atomy, cząsteczki lub jony znajdują się w węzłach, które są połączone wyimaginowanymi liniami. W zależności od charakteru tych cząstek i wiązań między nimi wszystkie struktury krystaliczne dzielą się na atomowe, molekularne, jonowe i metaliczne.
W węzłach sieci krystalicznej jonów znajdują się kationy i aniony. Co więcej, każdy z nich otoczony jest ściśle określoną liczbą jonów tylko o przeciwnym ładunku. Typowym przykładem jest chlorek sodu (NaCl). Zwykle mają wysoką temperaturę topnienia i twardość, ponieważ wymagają dużej ilości energii do złamania.
Cząsteczki substancji utworzone przez wiązanie kowalencyjne znajdują się w węzłach molekularnej sieci krystalicznej (na przykład I2). Połączone są ze sobą słabą interakcją van der Waalsa, dlatego taką strukturę łatwo zniszczyć. Takie związki mają niską temperaturę wrzenia i topnienia.
Atomowa sieć krystaliczna jest utworzona przez atomy pierwiastków chemicznych o wysokiej wartościowości. Połączone są silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, co oznacza, że substancje mają wysokie temperatury wrzenia, topnienia i dużą twardość. Przykładem jest diament.
Zatem wszystkie rodzaje wiązań występujących w chemikaliach mają swoje własne cechy, które wyjaśniają zawiłości interakcji cząstek w cząsteczkach i substancjach. Od nich zależą właściwości związków. Określają wszystkie procesy zachodzące w środowisku.
