Plik Wiązanie chemiczne to siła, która jest w stanie utrzymać razem atomy tworzące materię. Każdy rodzaj materii ma charakterystyczne wiązanie chemiczne, na które składa się udział jednego lub więcej elektronów. Zatem siły, które jednoczą atomy w gazach, są inne np. Od metali.
Wszystkie elementy układu okresowego (z wyjątkiem helu i lekkich gazów szlachetnych) mogą tworzyć ze sobą wiązania chemiczne. Jednak ich natura jest modyfikowana w zależności od pierwiastków, z których pochodzą tworzące je elektrony. Istotnym parametrem wyjaśniającym rodzaj wiązań jest elektroujemność.
Różnica w elektroujemności (ΔE) między dwoma atomami określa nie tylko rodzaj wiązania chemicznego, ale także właściwości fizykochemiczne związku. Sole charakteryzują się wiązaniami jonowymi (wysokie ΔE) i wieloma związkami organicznymi, takimi jak witamina B.12 (górne zdjęcie), wiązania kowalencyjne (ΔE niskie).
W wyższej strukturze molekularnej każda z linii reprezentuje wiązanie kowalencyjne. Kliny wskazują, że łącze wyłania się z płaszczyzny (w kierunku czytelnika), a podkreślone za płaszczyzną (z dala od czytelnika). Zauważ, że istnieją podwójne wiązania (=) i atom kobaltu skoordynowane z pięcioma atomami azotu i jednym łańcuchem bocznym R..
Ale dlaczego tworzą się takie wiązania chemiczne? Odpowiedź tkwi w stabilności energetycznej uczestniczących atomów i elektronów. Ta stabilność musi zrównoważyć odpychanie elektrostatyczne występujące między chmurami elektronów i jąder oraz przyciąganie wywierane przez jądro na elektrony sąsiedniego atomu..
Indeks artykułów
Wielu autorów podało definicje wiązania chemicznego. Najważniejszy z nich był fizykochem G. N. Lewis, który zdefiniował wiązanie chemiczne jako udział pary elektronów między dwoma atomami. Jeśli atomy A i B mogą wnieść pojedynczy elektron, wówczas powstanie między nimi pojedyncze wiązanie A: B lub A-B.
Przed utworzeniem wiązania, zarówno A, jak i B są oddzielone nieokreśloną odległością, ale podczas wiązania istnieje teraz siła, która utrzymuje je razem w związku dwuatomowym AB i odległość wiązania (lub długość).
Jakie są cechy tej siły, która utrzymuje razem atomy? Zależą one bardziej od rodzaju połączenia między A i B niż od ich struktur elektronicznych. Na przykład łącze A-B jest kierunkowe. Co to znaczy? Że siłę wywieraną przez związek pary elektronów można przedstawić na osi (tak jakby to był cylinder).
Również ta więź wymaga energii do zerwania. Ta ilość energii może być wyrażona w jednostkach kJ / mol lub cal / mol. Po przyłożeniu wystarczającej ilości energii do związku AB (na przykład przez ciepło), rozpadnie się on na oryginalne atomy A i B..
Im bardziej stabilne wiązanie, tym więcej energii potrzeba do rozdzielenia związanych atomów..
Z drugiej strony, jeśli wiązanie w związku AB było jonowe, A+b-, wtedy byłaby to siła bezkierunkowa. Dlaczego? Dlatego+ wywiera przyciągającą siłę na B.- (i odwrotnie), która zależy bardziej od odległości, która dzieli oba jony w przestrzeni, niż od ich względnego położenia.
To pole przyciągania i odpychania łączy inne jony, tworząc tak zwaną sieć krystaliczną (górne zdjęcie: kation A+ leży otoczony czterema anionami B.-, a te cztery kationy A+ i tak dalej).
Aby para elektronów utworzyła wiązanie, należy najpierw rozważyć wiele rzeczy. Jądra, żeby powiedzieć te z A, mają protony i dlatego są dodatnie. Kiedy dwa atomy A są bardzo daleko od siebie, to znaczy w dużej odległości międzyjądrowej (górne zdjęcie), nie odczuwają żadnego przyciągania.
Gdy dwa atomy A zbliżają się do swoich jąder, przyciągają chmurę elektronów sąsiedniego atomu (fioletowe koło). To jest siła przyciągania (A na sąsiednim fioletowym kółku). Jednak dwa jądra A odpychają się, ponieważ są dodatnie, a siła ta zwiększa energię potencjalną wiązania (oś pionowa).
Istnieje odległość międzyjądrowa, w której energia potencjalna osiąga minimum; to znaczy, że siły przyciągania i odpychania są zrównoważone (dwa atomy A w dolnej części obrazu).
Jeśli ta odległość zmniejszy się po tym punkcie, wiązanie spowoduje odpychanie się dwóch jąder z dużą siłą, destabilizując związek A-A..
Tak więc, aby wiązanie się uformowało, musi istnieć energetycznie odpowiednia odległość międzyjądrowa; a ponadto orbitale atomowe muszą zachodzić na siebie prawidłowo, aby elektrony się związały.
A co by było, gdyby zamiast dwóch atomów A, jeden z A, a drugi z B miał się połączyć? W tym przypadku górny wykres zmieniłby się, ponieważ jeden z atomów miałby więcej protonów niż drugi, a chmury elektronów miałyby różne rozmiary..
Ponieważ wiązanie A-B tworzy się w odpowiedniej odległości międzyjądrowej, para elektronów będzie znajdować się głównie w pobliżu atomu najbardziej elektroujemnego. Tak jest w przypadku wszystkich heterojądrowych związków chemicznych, które stanowią zdecydowaną większość znanych (i będą znane).
Chociaż nie zostało to szczegółowo omówione, istnieje wiele zmiennych, które bezpośrednio wpływają na sposób zbliżania się atomów i formowania się wiązań chemicznych; niektóre są termodynamiczne (czy reakcja jest spontaniczna?), elektroniczne (jak pełne lub puste są orbitale atomów), a inne kinetyczne.
Linki mają szereg cech, które odróżniają je od siebie. Kilka z nich można ująć w trzy główne klasyfikacje: kowalencyjne, jonowe lub metaliczne.
Chociaż istnieją związki, których wiązania należą do jednego typu, wiele z nich w rzeczywistości składa się z mieszaniny znaków każdego z nich. Fakt ten wynika z różnicy elektroujemności między atomami tworzącymi wiązania. Tak więc niektóre związki mogą być kowalencyjne, ale mają pewien charakter jonowy w swoich wiązaniach..
Podobnie, rodzaj wiązania, struktura i masa cząsteczkowa są kluczowymi czynnikami określającymi makroskopowe właściwości materii (jasność, twardość, rozpuszczalność, temperatura topnienia itp.).
Wiązania kowalencyjne to te, które zostały wyjaśnione do tej pory. W nich dwa orbitale (po jednym elektronie w każdym) muszą zachodzić na jądra oddzielone w odpowiedniej odległości międzyjądrowej..
Zgodnie z teorią orbitali molekularnych (TOM), jeśli nakładanie się orbitali jest frontalne, utworzy się wiązanie sigma σ (zwane również wiązaniem prostym lub prostym). Natomiast jeśli orbitale są utworzone przez boczne i prostopadłe nakładanie się względem osi międzyjądrowej, będziemy mieli wiązania π (podwójne i potrójne):
Wiązanie σ, jak widać na obrazie, tworzy się wzdłuż osi międzyjądrowej. Chociaż tego nie pokazano, A i B mogą mieć inne wiązania, a zatem własne środowiska chemiczne (różne części struktury molekularnej). Ten typ ogniwa charakteryzuje się siłą obrotową (zielony walec) i jest najsilniejszy ze wszystkich.
Na przykład pojedyncze wiązanie w cząsteczce wodoru może obracać się na osi międzyjądrowej (H-H). Podobnie może to zrobić hipotetyczna cząsteczka CA-AB..
Łącza C-A, A-A i A-B obracają się; ale jeśli C lub B są atomami lub grupą masywnych atomów, rotacja A-A jest sterycznie utrudniona (ponieważ C i B zderzają się).
Wiązania pojedyncze występują praktycznie we wszystkich cząsteczkach. Ich atomy mogą mieć dowolną hybrydyzację chemiczną, o ile zachodzenie ich orbitali jest frontalne. Wracając do struktury witaminy B.12, dowolna pojedyncza linia (-) wskazuje pojedyncze łącze (na przykład łącza -CONHdwa).
Podwójne wiązanie wymaga, aby atomy miały (zwykle) hybrydyzację spdwa. Czyste wiązanie p, prostopadłe do trzech orbitali hybrydowych spdwa, tworzy podwójne wiązanie, które wygląda jak szarawa warstwa.
Zauważ, że zarówno wiązanie pojedyncze (zielony cylinder), jak i wiązanie podwójne (szara blacha) współistnieją w tym samym czasie. Jednak w przeciwieństwie do wiązań pojedynczych, wiązania podwójne nie mają takiej samej swobody rotacji wokół osi międzyjądrowej. Dzieje się tak, ponieważ aby się obrócić, łącze (lub folia) musi się zepsuć; proces wymagający energii.
Ponadto wiązanie A = B jest bardziej reaktywne niż A-B. Jego długość jest krótsza, a atomy A i B znajdują się w mniejszej odległości międzyjądrowej; w związku z tym istnieje większe odpychanie między obydwoma jądrami. Zerwanie zarówno pojedynczych, jak i podwójnych wiązań wymaga więcej energii niż do rozdzielenia atomów w cząsteczce A-B..
W strukturze witaminy B.12 można zaobserwować kilka wiązań podwójnych: C = O, P = O oraz w obrębie pierścieni aromatycznych.
Wiązanie potrójne jest nawet krótsze niż wiązanie podwójne, a jego rotacja jest bardziej energetycznie utrudniona. W nim powstają dwa prostopadłe wiązania π (szaro-fioletowe arkusze), a także pojedyncze wiązanie.
Zwykle chemiczna hybrydyzacja atomów A i B musi być sp: dwa orbitale sp oddalone od siebie o 180º i dwa czyste orbitale p prostopadłe do pierwszego. Zwróć uwagę, że potrójne wiązanie wygląda jak łopatka, ale bez siły obrotowej. Wiązanie to można przedstawić po prostu jako A≡B (N≡N, cząsteczka azotu Ndwa).
Ze wszystkich wiązań kowalencyjnych to jest najbardziej reaktywne; ale jednocześnie ten, który potrzebuje więcej energii do całkowitego oddzielenia swoich atomów (· A: +: B ·). Jeśli witamina B12 miał potrójne wiązanie w swojej strukturze molekularnej, jego działanie farmakologiczne zmieniłoby się drastycznie.
Sześć elektronów uczestniczy w wiązaniach potrójnych; w podwójnych - cztery elektrony; a w prostym lub prostym, dwa.
Utworzenie jednego lub więcej z tych wiązań kowalencyjnych zależy od elektronicznej dostępności atomów; to znaczy, ile elektronów potrzebują ich orbitale, aby uzyskać oktet walencyjny.
Wiązanie kowalencyjne składa się z równego podziału pary elektronów między dwoma atomami. Ale jest to ściśle prawdziwe tylko w przypadku, gdy oba atomy mają równe elektroujemności; to znaczy ta sama tendencja do przyciągania gęstości elektronów z otoczenia do kompozytu.
Wiązania niepolarne charakteryzują się zerową różnicą elektroujemności (ΔE≈0). Dzieje się tak w dwóch sytuacjach: w związku homojądrowym (A.dwa) lub jeśli środowiska chemiczne po obu stronach wiązania są równoważne (H.3C-CH3, cząsteczka etanu).
Przykłady wiązań niepolarnych są widoczne w następujących związkach:
-Wodór (H-H)
-Tlen (O = O)
-Azot (N≡N)
-Fluor (F-F)
-Chlor (Cl-Cl)
-Acetylen (HC≡CH)
Gdy występuje wyraźna różnica w elektroujemności ΔE między obydwoma atomami, moment dipolowy powstaje wzdłuż osi wiązania: Aδ+-bδ-. W przypadku heterojądrowego związku AB B jest atomem najbardziej elektroujemnym, a zatem ma wyższą gęstość elektronową δ-; podczas gdy A, najmniej elektroujemny, niedobór ładunku δ+.
Aby powstały wiązania polarne, muszą się połączyć dwa atomy o różnych elektroujemnościach; i w ten sposób tworzą związki heterojądrowe. A-B przypomina magnes: ma biegun dodatni i ujemny. Pozwala to na interakcję z innymi cząsteczkami poprzez siły dipol-dipol, wśród których znajdują się wiązania wodorowe..
Woda ma dwa polarne wiązania kowalencyjne H-O-H, a jej geometria molekularna jest kątowa, co zwiększa jej moment dipolowy. Gdyby jego geometria była liniowa, oceany wyparowałyby, a woda miałaby niższą temperaturę wrzenia.
Fakt, że związek ma wiązania polarne, nie oznacza, że jest polarny. Na przykład czterochlorek węgla, CCl4, ma cztery polarne wiązania C-Cl, ale ze względu na ich tetraedryczny układ moment dipolowy kończy się wektorowo anulowany.
Kiedy atom oddaje parę elektronów, aby utworzyć wiązanie kowalencyjne z innym atomem, wówczas mówimy o wiązaniu celownikowym lub koordynacyjnym. Na przykład mając B: dostępną parę elektronów i A (lub A.+), wakat elektroniczny, powstaje łącze B: A..
W strukturze witaminy B.12 pięć atomów azotu jest związanych z metalowym centrum Co za pomocą tego typu wiązania kowalencyjnego. Te atomy azotu oddają wolną parę elektronów do kationu.3+, koordynowanie z nimi metalu (m.in.3+: N-)
Inny przykład można znaleźć w protonowaniu cząsteczki amoniaku w celu utworzenia amoniaku:
H.3N: + H+ => NH4+
Zauważ, że w obu przypadkach to atom azotu dostarcza elektrony; dlatego celownik lub koordynacyjne wiązanie kowalencyjne występuje, gdy sam atom dostarcza parę elektronów.
W ten sam sposób cząsteczka wody może ulec protonowaniu, aby stać się kationem hydroniowym (lub oksoniowym):
H.dwaO + H+ => H.3LUB+
W przeciwieństwie do kationu amonowego, hydronium nadal ma wolną parę elektronów (H.3LUB:+); jednak bardzo trudno jest zaakceptować inny proton do utworzenia niestabilnego dikacji hydroniowej, H4LUBdwa+.
Na zdjęciu biały pagórek soli. Sole charakteryzują się strukturą krystaliczną, to znaczy symetryczną i uporządkowaną; wysoka temperatura topnienia i wrzenia, wysokie przewodnictwo elektryczne podczas topienia lub rozpuszczania, a także jego jony są silnie wiązane przez oddziaływania elektrostatyczne.
Te interakcje tworzą tak zwane wiązanie jonowe. Na drugim obrazku pokazano kation A.+ otoczony czterema anionami B-, ale to jest reprezentacja 2D. W trzech wymiarach A+ powinien mieć inne aniony B.- do przodu i za samolotem, tworząc różne struktury.
Zatem A.+ może mieć sześciu, ośmiu, a nawet dwunastu sąsiadów. Liczba sąsiadów otaczających jon w krysztale nazywana jest liczbą koordynacyjną (N.C). Z każdym N.C jest powiązany rodzaj układu krystalicznego, który z kolei tworzy stałą fazę soli.
Symetryczne i fasetowane kryształy widoczne w solach wynikają z równowagi ustanowionej przez oddziaływania przyciągania (A+ b-) i odpychanie (A.+ DO+, b- b-) elektrostatyczny.
Ale dlaczego A + i B-, lub Na+ i Cl-, nie tworzą wiązań kowalencyjnych Na-Cl? Ponieważ atom chloru jest znacznie bardziej elektroujemny niż metaliczny sód, który również charakteryzuje się bardzo łatwym oddawaniem swoich elektronów. Kiedy te pierwiastki się spotykają, reagują egzotermicznie, tworząc sól kuchenną:
2Na (s) + Cldwa(g) => 2NaCl (s)
Dwa atomy sodu przekazują swój pojedynczy elektron walencyjny (Na) dwuatomowej cząsteczce Cldwa, tworząc aniony Cl-.
Oddziaływania między kationami sodu i anionami chlorkowymi, chociaż reprezentują słabsze wiązanie niż kowalencyjne, są w stanie utrzymać je silnie zjednoczone w ciele stałym; a fakt ten znajduje odzwierciedlenie w wysokiej temperaturze topnienia soli (801ºC).
Ostatni z rodzajów wiązań chemicznych jest metaliczny. Można to znaleźć na dowolnej części metalowej lub stopowej. Charakteryzuje się tym, że jest wyjątkowy i różni się od innych, ze względu na to, że elektrony nie przechodzą z jednego atomu do drugiego, lecz przemieszczają się niczym morze przez kryształ metali..
W ten sposób atomy metali, powiedzmy miedź, przenikają ze sobą swoje orbitale walencyjne, tworząc pasma przewodnictwa; przez które elektrony (s, p, d lub f) przechodzą wokół atomów i trzymają je mocno razem.
W zależności od liczby elektronów, które przechodzą przez metaliczny kryształ, orbitali przewidzianych dla pasm i upakowania jego atomów, metal może być miękki (jak metale alkaliczne), twardy, błyszczący lub dobry przewodnik prądu elektrycznego i gorący.
Siła, która trzyma razem atomy metali, takich jak te, które tworzą małego człowieka na obrazku i jego laptopa, jest większa niż w przypadku soli.
Można to zweryfikować eksperymentalnie, ponieważ kryształy soli można podzielić na kilka połówek przed działaniem siły mechanicznej; podczas gdy część metalowa (złożona z bardzo małych kryształów) jest zdeformowana.
Poniższe cztery związki obejmują wyjaśnione typy wiązań chemicznych:
-Fluorek sodu, NaF (Na+fa-): jonowe.
-Sód, Na: metaliczny.
-Fluor, F.dwa (F-F): niepolarny kowalencyjny, ze względu na fakt, że między obydwoma atomami występuje zerowa wartość ΔE, ponieważ są one identyczne.
-Fluorowodór, HF (H-F): polarny kowalencyjny, ponieważ w tym związku fluor jest bardziej elektroujemny niż wodór.
Istnieją związki, takie jak witamina B.12, posiadający zarówno polarne, jak i jonowe wiązania kowalencyjne (w ładunku ujemnym swojej grupy fosforanowej -PO4--). W niektórych złożonych strukturach, takich jak klastry metalowe, wszystkie te typy połączeń mogą nawet współistnieć.
Materia oferuje we wszystkich swoich przejawach przykłady wiązań chemicznych. Od kamienia na dnie stawu i otaczającej go wody, po ropuchy, które rechoczą na jego brzegach.
Chociaż wiązania mogą być proste, liczba i rozmieszczenie przestrzenne atomów w strukturze molekularnej ustępują miejsca bogatej różnorodności związków..
Jakie jest znaczenie wiązania chemicznego? Nieobliczalna liczba konsekwencji, które wywołałby brak wiązania chemicznego, podkreśla jego ogromne znaczenie w przyrodzie:
-Bez niego kolory nie istniałyby, ponieważ jego elektrony nie absorbowałyby promieniowania elektromagnetycznego. Cząsteczki kurzu i lodu obecne w atmosferze zniknęłyby, a niebieski kolor nieba stałby się ciemny..
-Węgiel nie mógł tworzyć swoich niekończących się łańcuchów, z których pochodzą biliony związków organicznych i biologicznych.
-Białek nie można było nawet zdefiniować w składowych aminokwasach. Zniknęłyby cukry i tłuszcze, a także wszelkie związki węgla w organizmach żywych.
-Ziemia pozostałaby bez atmosfery, ponieważ przy braku wiązań chemicznych w jej gazach nie byłoby siły, która utrzymywałaby je razem. Nie byłoby też między nimi najmniejszej interakcji międzycząsteczkowej.
-Góry mogą zniknąć, ponieważ ich skały i minerały, choć ciężkie, nie mogą zawierać atomów upakowanych w krystalicznych lub amorficznych strukturach..
-Świat składałby się z pojedynczych atomów niezdolnych do tworzenia stałych lub ciekłych substancji. Spowodowałoby to również zanik wszelkich przemian materii; to znaczy, nie byłoby żadnej reakcji chemicznej. Wszędzie tylko ulotne gazy.
Jeszcze bez komentarzy