Dlaczego atomy mogą łączyć się ze sobą, tworząc cząsteczki? Jaki jest powód możliwego istnienia substancji, które zawierają atomy zupełnie różnych pierwiastków chemicznych? Są to zagadnienia globalne, mające wpływ na podstawowe koncepcje współczesnej nauki fizycznej i chemicznej. Możesz na nie odpowiedzieć, mając wyobrażenie o budowie elektronowej atomów i znając charakterystykę wiązania kowalencyjnego, które jest podstawą większości klas związków. Celem naszego artykułu jest zapoznanie się z mechanizmami powstawania różnego rodzaju wiązań chemicznych oraz cechami właściwości związków zawierających je w swoich cząsteczkach.
Elektroniczna struktura atomu
Cząstki elektroneutralne materii, które są jej elementami strukturalnymi, mają strukturę, która odzwierciedla strukturę Układu Słonecznego. Gdy planety krążą wokół gwiazdy centralnej - Słońca, tak elektrony w atomie poruszają się wokół dodatnio naładowanego jądra. CharakteryzowaćW wiązaniu kowalencyjnym elektrony znajdujące się na ostatnim poziomie energii i najbardziej oddalone od jądra będą miały znaczenie. Ponieważ ich połączenie z centrum własnego atomu jest minimalne, mogą być łatwo przyciągane przez jądra innych atomów. Jest to bardzo ważne dla występowania oddziaływań międzyatomowych prowadzących do powstania cząsteczek. Dlaczego forma molekularna jest głównym rodzajem istnienia materii na naszej planecie? Dowiedzmy się.
Podstawowa właściwość atomów
Zdolność cząstek obojętnych elektrycznie do interakcji, prowadząca do zwiększenia energii, jest ich najważniejszą cechą. Rzeczywiście, w normalnych warunkach molekularny stan materii jest bardziej stabilny niż stan atomowy. Główne postanowienia współczesnej teorii atomowej i molekularnej wyjaśniają zarówno zasady tworzenia cząsteczek, jak i cechy wiązania kowalencyjnego. Przypomnijmy, że zewnętrzny poziom energetyczny atomu może zawierać od 1 do 8 elektronów, w tym drugim przypadku warstwa będzie kompletna, czyli będzie bardzo stabilna. Atomy gazów szlachetnych mają taką strukturę poziomu zewnętrznego: argon, krypton, ksenon - pierwiastki obojętne, które uzupełniają każdy okres w systemie DI Mendelejewa. Wyjątkiem jest tutaj hel, który na ostatnim poziomie ma nie 8, a tylko 2 elektrony. Powód jest prosty: w pierwszym okresie istnieją tylko dwa pierwiastki, których atomy mają pojedynczą warstwę elektronową. Wszystkie inne pierwiastki chemiczne mają od 1 do 7 elektronów na ostatniej, niepełnej warstwie. W procesie interakcji atomy będąstaraj się wypełnić elektronami do oktetu i przywrócić konfigurację atomu pierwiastka obojętnego. Stan taki można osiągnąć na dwa sposoby: poprzez utratę własnych lub akceptację obcych ujemnie naładowanych cząstek. Te formy interakcji wyjaśniają, jak określić, czy między reagującymi atomami powstanie wiązanie jonowe czy kowalencyjne.
Mechanizmy tworzenia stabilnej konfiguracji elektronicznej
Wyobraźmy sobie, że w reakcję związku wchodzą dwie proste substancje: metaliczny sód i gazowy chlor. Powstaje substancja z klasy soli - chlorek sodu. Posiada wiązanie chemiczne typu jonowego. Dlaczego i jak do tego doszło? Zwróćmy się ponownie do budowy atomów substancji wyjściowych. Sód ma tylko jeden elektron na ostatniej warstwie, słabo związany z jądrem ze względu na duży promień atomu. Energia jonizacji wszystkich metali alkalicznych, w tym sodu, jest niska. Dlatego elektron z poziomu zewnętrznego opuszcza poziom energetyczny, jest przyciągany przez jądro atomu chloru i pozostaje w jego przestrzeni. Stwarza to precedens dla przejścia atomu Cl w postać ujemnie naładowanego jonu. Teraz nie mamy już do czynienia z cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, ale z naładowanymi kationami sodu i anionami chloru. Zgodnie z prawami fizyki, między nimi powstają siły przyciągania elektrostatycznego, a związek tworzy jonową sieć krystaliczną. Rozważany przez nas mechanizm powstawania jonowego typu wiązania chemicznego pomoże dokładniej wyjaśnić specyfikę i główne cechy wiązania kowalencyjnego.
Wspólne pary elektronów
Jeśli wiązanie jonowe występuje między atomami pierwiastków, które są bardzo różne pod względem elektroujemności, tj. metali i niemetali, wówczas typ kowalencyjny pojawia się, gdy atomy tego samego lub różnych pierwiastków niemetalicznych wchodzą w interakcje. W pierwszym przypadku zwyczajowo mówi się o niepolarnym, aw drugim o polarnej postaci wiązania kowalencyjnego. Mechanizm ich powstawania jest wspólny: każdy z atomów częściowo oddaje do wspólnego użytku elektrony, które łączy się w pary. Ale przestrzenne rozmieszczenie par elektronów względem jąder atomów będzie inne. Na tej podstawie rozróżnia się rodzaje wiązań kowalencyjnych - niepolarne i polarne. Najczęściej w związkach chemicznych składających się z atomów pierwiastków niemetalicznych występują pary składające się z elektronów o przeciwnych spinach, czyli obracających się wokół swoich jąder w przeciwnych kierunkach. Ponieważ ruch ujemnie naładowanych cząstek w przestrzeni prowadzi do powstania chmur elektronowych, co ostatecznie kończy się ich wzajemnym nakładaniem się. Jakie są konsekwencje tego procesu dla atomów i do czego prowadzi?
Właściwości fizyczne wiązania kowalencyjnego
Okazuje się, że pomiędzy centrami dwóch oddziałujących atomów znajduje się chmura dwóch elektronów o dużej gęstości. Wzrastają elektrostatyczne siły przyciągania między samą ujemnie naładowaną chmurą a jądrami atomów. Część energii zostaje uwolniona i zmniejszają się odległości między centrami atomowymi. Na przykład na początku tworzenia się cząsteczki H2 odległość między jądrami atomów wodoruwynosi 1,06 A, po nałożeniu się chmur i utworzeniu wspólnej pary elektronów - 0,74 A. Przykłady wiązania kowalencyjnego utworzonego zgodnie z powyższym mechanizmem można znaleźć zarówno wśród prostych, jak i złożonych substancji nieorganicznych. Jego główną cechą wyróżniającą jest obecność wspólnych par elektronów. W efekcie po pojawieniu się wiązania kowalencyjnego między atomami np. wodoru, każdy z nich uzyskuje konfigurację elektronową obojętnego helu, a powstała cząsteczka ma stabilną strukturę.
Kształt przestrzenny cząsteczki
Kolejną bardzo ważną właściwością fizyczną wiązania kowalencyjnego jest kierunkowość. Zależy to od konfiguracji przestrzennej cząsteczki substancji. Na przykład, gdy dwa elektrony nakładają się na kulisty obłok, wygląd cząsteczki jest liniowy (chlorowodór lub bromowodór). Cząsteczki wody, w których krzyżują się chmury s i p, mają kanciasty kształt, a bardzo silne cząsteczki gazowego azotu wyglądają jak piramida.
Struktura prostych substancji - niemetali
Po ustaleniu, jaki rodzaj wiązania nazywa się kowalencyjnym, jakie ma znaki, nadszedł czas, aby zająć się jego odmianami. Jeśli atomy tego samego niemetalu - chloru, azotu, tlenu, bromu itp. oddziałują ze sobą, powstają odpowiednie proste substancje. Ich wspólne pary elektronowe znajdują się w tej samej odległości od centrów atomów, bez przesuwania się. W przypadku związków z niepolarnym typem wiązania kowalencyjnego nieodłączne są następujące cechy: niska temperatura wrzenia itopnienie, nierozpuszczalność w wodzie, właściwości dielektryczne. Następnie dowiemy się, które substancje charakteryzują się wiązaniem kowalencyjnym, w którym następuje przesunięcie wspólnych par elektronów.
Elektroujemność i jej wpływ na rodzaj wiązania chemicznego
Właściwość konkretnego pierwiastka przyciągania elektronów z atomu innego pierwiastka w chemii nazywana jest elektroujemnością. Skalę wartości tego parametru, zaproponowaną przez L. Paulinga, można znaleźć we wszystkich podręcznikach chemii nieorganicznej i ogólnej. Najwyższa jego wartość - 4,1 eV - ma fluor, mniejsza - inne aktywne niemetale, a najniższy wskaźnik jest typowy dla metali alkalicznych. Jeśli pierwiastki różniące się elektroujemnością reagują ze sobą, to nieuchronnie jeden, bardziej aktywny, przyciągnie do swojego jądra ujemnie naładowane cząstki atomu bardziej pasywnego pierwiastka. Zatem właściwości fizyczne wiązania kowalencyjnego bezpośrednio zależą od zdolności pierwiastków do oddawania elektronów do powszechnego użytku. Powstałe wspólne pary nie są już położone symetrycznie względem jąder, ale są przesunięte w kierunku bardziej aktywnego elementu.
Cechy związków z wiązaniem polarnym
Substancje w cząsteczkach, których połączone pary elektronowe są asymetryczne względem jąder atomów, obejmują halogenki wodoru, kwasy, związki chalcogenów z wodorem i tlenki kwasowe. Są to kwasy siarczanowe i azotanowe, tlenki siarki i fosforu, siarkowodór itp. Na przykład cząsteczka chlorowodoru zawiera jedną wspólną parę elektronów,utworzone przez niesparowane elektrony wodoru i chloru. Jest przesunięty bliżej środka atomu Cl, który jest pierwiastkiem bardziej elektroujemnym. Wszystkie substancje z wiązaniem polarnym w roztworach wodnych dysocjują na jony i przewodzą prąd elektryczny. Związki, które mają polarne wiązanie kowalencyjne, których przykłady podaliśmy, mają również wyższe temperatury topnienia i wrzenia w porównaniu z prostymi substancjami niemetalicznymi.
Metody zrywania wiązań chemicznych
W chemii organicznej reakcje podstawienia nasyconych węglowodorów na halogeny przebiegają zgodnie z mechanizmem rodnikowym. Mieszanina metanu i chloru w świetle iw zwykłej temperaturze reaguje w taki sposób, że cząsteczki chloru zaczynają się rozszczepiać na cząstki przenoszące niesparowane elektrony. Innymi słowy, obserwuje się zniszczenie wspólnej pary elektronów i powstawanie bardzo aktywnych rodników -Cl. Są w stanie wpływać na cząsteczki metanu w taki sposób, że rozrywają wiązanie kowalencyjne między atomami węgla i wodoru. Powstaje aktywna cząstka –H, a wolna wartościowość atomu węgla przyjmuje rodnik chlorowy, a pierwszym produktem reakcji staje się chlorometan. Taki mechanizm rozszczepiania cząsteczek nazywa się homolitycznym. Jeżeli wspólna para elektronów całkowicie przechodzi w posiadanie jednego z atomów, to mówi się o mechanizmie heterolitycznym charakterystycznym dla reakcji zachodzących w roztworach wodnych. W takim przypadku cząsteczki wody polarnej zwiększą tempo niszczenia wiązań chemicznych rozpuszczonego związku.
Podwójne i potrójnelinki
Ogromna większość substancji organicznych i niektóre związki nieorganiczne zawierają w swoich cząsteczkach nie jedną, ale kilka wspólnych par elektronów. Wielokrotność wiązania kowalencyjnego zmniejsza odległość między atomami i zwiększa stabilność związków. Są one zwykle określane jako odporne chemicznie. Na przykład w cząsteczce azotu znajdują się trzy pary elektronów, są one wskazane we wzorze strukturalnym trzema myślnikami i określają jego siłę. Prosta substancja azot jest chemicznie obojętna i może reagować z innymi związkami, takimi jak wodór, tlen lub metale, tylko po podgrzaniu lub pod podwyższonym ciśnieniem, a także w obecności katalizatorów.
Wiązania podwójne i potrójne są nieodłącznie związane z takimi klasami związków organicznych, jak nienasycone węglowodory dienowe, a także substancje z szeregu etylenu lub acetylenu. Wiązania wielokrotne określają główne właściwości chemiczne: reakcje addycji i polimeryzacji zachodzące w miejscach ich zerwania.
W naszym artykule podaliśmy ogólny opis wiązania kowalencyjnego i zbadaliśmy jego główne typy.
