Definícia chemických väzieb, charakteristika, spôsob ich vzniku, typy

chemická väzba je to sila, ktorá dokáže udržať atómy, ktoré tvoria hmotu. Každý typ hmoty má charakteristickú chemickú väzbu, ktorá pozostáva z účasti jedného alebo viacerých elektrónov. Teda sily, ktoré spájajú atómy v plynoch, sú odlišné, napríklad od kovov.

Všetky prvky periodickej tabuľky (s výnimkou hélia a ľahkých vzácnych plynov) môžu spolu vytvárať chemické väzby. Ich povaha sa však mení v závislosti od toho, aké prvky pochádzajú z elektrónov, ktoré ich tvoria. Základným parametrom na vysvetlenie typu prepojení je elektronegativita.

Rozdiel v elektronegativite (AE) medzi dvoma atómami definuje nielen typ chemickej väzby, ale aj fyzikálno-chemické vlastnosti zlúčeniny. Soli sa vyznačujú tým, že majú iónové väzby (vysoké AE) a mnohé organické zlúčeniny, ako napríklad vitamín B₁₂ (horný obrázok), kovalentné väzby (nízke ΔE).

V hornej molekulovej štruktúre každá z týchto línií predstavuje kovalentnú väzbu. Kliny naznačujú, že spojenie vychádza z roviny (smerom k čítačke) a tie podčiarknuté z roviny (od čítačky). Všimnite si, že existujú dvojité väzby (=) a atóm kobaltu koordinované s piatimi atómami dusíka a bočným reťazcom R.

Prečo sa však takéto chemické väzby vytvárajú? Odpoveď spočíva v energetickej stabilite zúčastnených atómov a elektrónov. Táto stabilita musí vyvážiť elektrostatické odpudenia medzi elektronickými mrakmi a jadrami a príťažlivosťou jadra na elektrónoch susedného atómu..

index

• 1 Definícia chemickej väzby
• 2 Charakteristiky
• 3 Ako sa tvoria
  • 3.1 Homonukleárne zlúčeniny A-A
  • 3.2 Heteronukleárne zlúčeniny A-B
• 4 Typy
  • 4.1 - Kovalentná väzba
  • 4.2 - Iónová väzba
  • 4.3 Kovové spojenie
• 5 Príklady
• 6 Význam chemickej väzby
• 7 Referencie

Definícia chemickej väzby

Mnohí autori uviedli definície chemickej väzby. Zo všetkých z nich bol najdôležitejší fyzikálno-chemický G. N. Lewis, ktorý definoval chemickú väzbu ako účasť dvojice elektrónov medzi dvoma atómami. Ak atómy A · a B môžu poskytnúť jeden elektrón, potom sa medzi nimi vytvorí jednoduchý spoj A: B alebo A-B.

Pred vytvorením spoja sú obidve A a B oddelené neurčitou vzdialenosťou, ale keď sa spoja, teraz existuje sila, ktorá ich drží spolu v diatomickej zlúčenine AB a vzdialenosť (alebo dĺžka) spoja.

rysy

Aké vlastnosti má táto sila, ktorá drží atómy dohromady? Tieto závisia skôr od typu spojenia medzi A a B ako od ich elektronických štruktúr. Napríklad odkaz A-B je smerový. Čo tým myslíš? Že sila pôsobiaca spojením dvojice elektrónov môže byť znázornená na osi (ako keby to bol valec).

Podobne toto spojenie vyžaduje, aby sa energia rozbila. Toto množstvo energie môže byť vyjadrené v jednotkách kJ / mol alebo cal / mol. Akonáhle sa na zlúčeninu AB aplikuje dostatok energie (napríklad teplom), disociuje sa na pôvodné atómy A a B..

Čím stabilnejšie je spojenie, tým väčšie množstvo energie potrebuje na oddelenie spojených atómov.

Na druhej strane, ak väzba v zlúčenine AB bola iónová, A⁺B^-, potom by to bola smerová sila. Prečo? Pretože A⁺ pôsobí na spoločnosť B atraktívnou silou^- (a naopak), ktorá závisí viac od vzdialenosti, ktorá oddeľuje oba ióny v priestore, než od ich relatívneho umiestnenia.

Toto pole príťažlivosti a odpudzovania zhromažďuje ďalšie ióny, ktoré vytvárajú tzv. Kryštalickú mriežku (horný obrázok: katión A⁺ leží obklopené štyrmi aniónmi B^-, a tieto štyri katióny A⁺ a tak ďalej).

Ako sa tvoria

Homonukleárne zlúčeniny A-A

Na to, aby pár elektrónov vytvoril väzbu, existuje mnoho aspektov, ktoré treba najprv zvážiť. Jadrá, teda jadrá A, majú protóny a sú preto pozitívne. Keď dva atómy A sú navzájom od seba vzdialené, to znamená, vo veľkej medzirekrokovej vzdialenosti (vrchný obrázok), nezažívajú žiadnu príťažlivosť.

Keď sa priblížia k dvom atómom A, ich jadrá priťahujú elektronický oblak susedného atómu (fialový kruh). Toto je príťažlivá sila (A cez susedný fialový kruh). Tieto dve jadrá A sú však odrazené tým, že sú pozitívne, a táto sila zvyšuje potenciálnu energiu väzby (vertikálna os).

Existuje medzirekrétna vzdialenosť, v ktorej potenciálna energia dosahuje minimum; to znamená, že atraktívna sila aj odpudivá sila sú vyvážené (dva atómy A v dolnej časti obrazu).

Ak sa táto vzdialenosť po tomto bode zníži, spojenie spôsobí, že tieto dve jadrá sa veľmi silno odpudzujú, čím sa destabilizuje zlúčenina A-A.

Aby spojenie, ktoré sa má vytvoriť, muselo byť medzirejadrová vzdialenosť primeraná energii; a okrem toho sa atómové orbitály musia správne prekrývať, aby boli elektróny spojené.

Heteronukleárne zlúčeniny A-B

Čo ak namiesto dvoch atómov A spoja jeden z A a druhý B? V tomto prípade by sa horný graf zmenil, pretože jeden z atómov by mal viac protónov ako druhý a elektronické oblaky by mali rôzne veľkosti.

Keď je väzba A-B vytvorená v správnej medziregulárnej vzdialenosti, pár elektrónov sa nachádza hlavne v blízkosti najviac elektronegatívneho atómu. To sa deje so všetkými heteronukleárnymi chemickými zlúčeninami, ktoré tvoria prevažnú väčšinu tých, ktoré sú známe (a budú známe)..

Hoci to nie je uvedené do hĺbky, existujú početné premenné, ktoré priamo ovplyvňujú spôsob prístupu atómov a chemické väzby; niektoré sú termodynamické (je reakcia spontánna?), elektronická (plná alebo prázdna sú orbitály atómov) a iná kinetika.

typ

Linky predstavujú rad vlastností, ktoré ich odlišujú. Niektoré z nich môžu byť zarámované do troch hlavných klasifikácií: kovalentné, iónové alebo kovové.

Hoci existujú zlúčeniny, ktorých väzby patria k jednému typu, mnohí v skutočnosti pozostávajú zo zmesi znakov každého z nich. Táto skutočnosť je spôsobená rozdielom v elektronegativite medzi atómami, ktoré tvoria väzby. Niektoré zlúčeniny teda môžu byť kovalentné, ale vo svojich väzbách majú určitý iónový charakter.

Typ väzby, štruktúry a molekulovej hmotnosti sú tiež kľúčovými faktormi, ktoré definujú makroskopické vlastnosti materiálu (jas, tvrdosť, rozpustnosť, teplota topenia atď.)..

-Kovalentná väzba

Kovalentné väzby sú tie, ktoré boli doteraz vysvetlené. V nich sa musia dva orbitály (jeden elektrón v každom) prekrývať s oddelenými jadrami vo vhodnej internukleárnej vzdialenosti.

Podľa teórie molekulového orbitálu (TOM), ak je prekrytie orbitálov frontálne, vytvorí sa sigma σ väzba (ktorá sa tiež nazýva jednoduché alebo jednoduché spojenie). Kým ak sú orbitály tvorené laterálnymi a kolmými presahmi vzhľadom na medzirezortnú os, budú prítomné π (dvojité a trojité) väzby:

Jednoduchý odkaz

Spojenie σ, ako je možné vidieť na obraze, sa vytvára pozdĺž medzirezortnej osi. Hoci to nie je ukázané, A a B môžu mať iné väzby, a teda svoje vlastné chemické prostredie (rôzne časti molekulovej štruktúry). Tento typ spojenia je charakterizovaný svojou rotačnou silou (zelený valec) a tým, že je najsilnejší zo všetkých.

Napríklad jednoduchá väzba molekuly vodíka sa môže otáčať na medzi-jadrovej osi (H-H). Rovnako to môže urobiť hypotetická molekula CA-AB.

Spojky C-A, A-A a A-B sa otáčajú; ale ak C alebo B sú atómy alebo skupina objemných atómov, rotácia A-A je stéricky bránená (pretože C a B by spadli).

Jednoduché väzby sa nachádzajú prakticky vo všetkých molekulách. Ich atómy môžu mať akúkoľvek chemickú hybridizáciu, pokiaľ je ich prekrytie čelné. Návrat k štruktúre vitamínu B₁₂, každý jednotlivý riadok (-) označuje jeden odkaz (napríklad prepojenia -CONH)₂).

Dvojité prepojenie

Dvojitá väzba vyžaduje, aby atómy mali (zvyčajne) sp hybridizáciu². Čistá väzba p, kolmá na tri sp hybridné orbitály², tvorí dvojitú väzbu, ktorá je zobrazená ako sivastý list.

Všimnite si, že súčasne existuje jeden odkaz (zelený valec) a dvojitý odkaz (sivý list). Na rozdiel od jednoduchých odkazov však štvorhry nemajú rovnakú voľnosť rotácie okolo medzi-jadrovej osi. Je to preto, že na otáčanie musí byť zlom (alebo list) zlomený; energie.

Spojenie A = B je tiež reaktívnejšie ako A-B. Dĺžka tejto dĺžky je menšia a atómy A a B sú v menšej medzirovinnej vzdialenosti; preto dochádza k väčšej odpudivosti medzi oboma jadrami. Prelomenie oboch väzieb, jednoduchých aj dvojitých, vyžaduje viac energie, než je potrebné na oddelenie atómov v molekule A-B.

V štruktúre vitamínu B₁₂ možno pozorovať niekoľko dvojitých väzieb: C = O, P = O a vo vnútri aromatických kruhov.

Trojitý odkaz

Trojitá väzba je dokonca kratšia ako dvojitá väzba a jej rotácia je viac energeticky poškodená. V ňom sú vytvorené dve kolmé π väzby (sivé a fialové listy), ako aj jednoduchý odkaz.

Zvyčajne chemická hybridizácia atómov A a B musí byť sp: dva sp orbitály oddelené 180 ° a dva čisté p orbitály kolmé na prvé. Všimnite si, že trojitá väzba sa podobá palete, ale bez rotačnej sily. Toto spojenie môže byť jednoducho reprezentované ako A2B (NNN, N-dusíková molekula₂).

Zo všetkých kovalentných väzieb je to najreaktívnejšie; ale zároveň ten, ktorý potrebuje viac energie na úplné oddelenie svojich atómov (· A: +: B ·). Ak vitamín B₁₂ mal trojitú väzbu v rámci svojej molekulárnej štruktúry, jeho farmakologický účinok by sa drasticky zmenil.

V trojitých väzbách sa zúčastňuje šesť elektrónov; v štvorhre, štyroch elektrónoch; av jednoduchých alebo jednoduchých dvoch.

Tvorba jednej alebo viacerých týchto kovalentných väzieb závisí od elektronickej dostupnosti atómov; to znamená, koľko elektrónov potrebuje ich orbitály, aby získali valenčný oktet.

Nepolárne prepojenie

Kovalentná väzba pozostáva z rovnomerného rozdelenia páru elektrónov medzi dvoma atómami. Toto je však striktne pravdivé iba v prípade, keď oba atómy majú rovnaké elektrónky; to znamená rovnakú tendenciu priťahovať elektronickú hustotu svojho prostredia v rámci zlúčeniny.

Nepolárne väzby sú charakterizované rozdielom nulovej elektronegativity (ΔE0). K tomu dochádza v dvoch situáciách: v homonukleárnej zlúčenine (A₂), alebo ak chemické prostredie na oboch stranách spojenia je ekvivalentné (H₃C-CH₃, molekula etánu).

Príklady nepolárnych väzieb sú uvedené v nasledujúcich zlúčeninách:

-Vodík (H-H)

-Kyslík (O = O)

-Dusík (N≡N)

-Fluór (F-F)

-Chlór (Cl-Cl)

-Acetylén (HC≡CH)

Polárne odkazy

Ak existuje výrazný rozdiel v elektronegativite ΔE medzi oboma atómami, pozdĺž osi spojenia sa vytvorí dipólový moment: A^δ+-B^δ-. V prípade heteronukleárnej zlúčeniny AB je B najviac elektronegatívny atóm, a preto má najvyššiu hustotu elektrónov ô-; zatiaľ čo A, najmenej elektronegatívny, nedostatok zaťaženia δ+.

Aby nastali polárne väzby, musia byť spojené dva atómy s rôznymi elektronegativádami; a teda tvoria heteronukleárne zlúčeniny. A-B sa podobá magnetu: má kladný pól a záporný pól. To umožňuje interakciu s inými molekulami prostredníctvom dipólovo-dipólových síl, medzi ktorými sú vodíkové väzby.

Voda má dve polárne kovalentné väzby, H-O-H, a jej molekulárna geometria je uhlová, čo zvyšuje jej dipólový moment. Ak by bola jeho geometria lineárna, oceány by sa odparili a voda by mala nižšiu teplotu varu.

Skutočnosť, že zlúčenina má polárne väzby, neznamená, že je polárny. Napríklad tetrachlórmetán, CCl₄, má štyri C-Cl polárne väzby, ale tetrahedrálnym usporiadaním ich dipólový moment končí vektorovo.

Odkazy na koordináciu

Keď atóm dáva pár elektrónov na vytvorenie kovalentnej väzby s iným atómom, potom hovoríme o dátovej alebo koordinačnej väzbe. Napríklad, ktoré majú B: dostupný pár elektrónov a A (alebo A⁺), je vytvorené elektronické voľné miesto, spojenie B: A.

V štruktúre vitamínu B₁₂ päť atómov dusíka je naviazaných na kovové centrum Co týmto typom kovalentnej väzby. Tieto nitrogény dávajú svojmu páru voľných elektrónov katiónu Co³⁺, koordináciu kovu s nimi (Co³⁺: N-)

Ďalší príklad možno nájsť v protonácii molekuly amoniaku za vzniku amónia:

H₃N: + H⁺ => NH₄⁺

Všimnite si, že v obidvoch prípadoch sa jedná o atóm dusíka, ktorý prispieva k elektrónom; preto kovalentná dátová alebo koordinačná väzba nastáva, keď samotný atóm prispieva k dvojici elektrónov.

Podobne, molekula vody môže byť protónovaná, aby sa transformovala na katión hydrónia (alebo oxónium):

H₂O + H⁺ => H₃O⁺

Na rozdiel od amóniového katiónu má hydrónium ešte voľný pár elektrónov (H₃O:⁺); je však veľmi ťažké akceptovať ďalší protón za vzniku nestabilného dihydrogenhydrónium, H₄O²⁺.

-Iónová väzba

Obrázok ukazuje biely kopec soli. Soli sa vyznačujú tým, že majú kryštalické štruktúry, to znamená symetrické a usporiadané; vysoké teploty topenia a varu, vysoké elektrické vodivosti pri tavení alebo rozpúšťaní a tiež ich ióny sú silne viazané elektrostatickými interakciami.

Tieto interakcie tvoria to, čo je známe ako iónová väzba. Na druhom obrázku je znázornený katión A⁺ obklopené štyrmi aniónmi B^-, ale toto je 2D reprezentácia. V troch dimenziách, A⁺ by mali mať iné anióny B^- pred a za rovinou, tvoriace rôzne štruktúry.

Takže, A⁺ môže mať šesť, osem alebo dokonca dvanásť susedov. Počet susedov obklopujúcich ión v kryštáli je známy ako koordinačné číslo (N.C). Pre každý N.C je spojený typ kryštalického usporiadania, ktorý zase tvorí pevnú fázu soli.

Symetrické a fazetované kryštály, ktoré sa vyskytujú v soli, sú dôsledkom rovnováhy stanovenej príťažlivými interakciami (A⁺ B^-) a odpudzovanie (A. \ t^{+ +}, B^- B^-) elektrostatické.

výcvik

Ale prečo A + a B^-, alebo Na⁺ a Cl^-, netvoria Na-Cl kovalentné väzby? Pretože atóm chlóru je omnoho viac elektronegatívny ako sodíkový kov, ktorý sa tiež vyznačuje veľmi jednoduchým vzdaním sa elektrónov. Keď sa zistia tieto prvky, reagujú exotermicky na výrobu stolovej soli:

2Na (s) + Cl₂(g) => 2NaCl (s)

Dva atómy sodíka poskytujú svojmu jedinečnému valenčnému elektrónu (Na ·) diatomickú molekulu Cl₂, za účelom vytvorenia Cl aniónov^-.

Interakcie medzi sodíkovými katiónmi a chloridovými aniónmi, hoci predstavujú slabšiu väzbu ako kovalentné väzby, sú schopné udržať ich pevne viazané v pevnej látke; a táto skutočnosť sa odráža vo vysokom bode topenia soli (801 ° C)..

Kovové spojenie

Posledný typ chemickej väzby je kovový. Toto je možné nájsť na akomkoľvek kovovom alebo zliatinovom kuse. Je charakterizovaná tým, že je špeciálna a odlišná od ostatných, pretože elektróny neprechádzajú z jedného atómu na druhý, ale cestujú, ako more, kryštál kovov.

Teda, kovové atómy, povedzme meď, vzájomne premieňajú svoje valenčné orbity za vzniku vodivých pásov; pričom elektróny (s, p, d alebo f) prechádzajú okolo atómov a udržiavajú ich pevne viazané.

V závislosti od počtu elektrónov, ktoré prechádzajú cez kovový kryštál, orbitály poskytnuté pre pásy a balenie ich atómov, môže byť kov mäkký (ako alkalické kovy), tvrdý, svetlý alebo dobrý vodič elektriny a teplo.

Sila, ktorá drží pohromade atómy kovov, ako sú tie, ktoré tvoria malého muža v obraze a jeho notebooku, je lepšia ako v prípade solí..

Toto môže byť overené experimentálne, pretože kryštály solí môžu byť rozdelené do niekoľkých polovíc pred mechanickou silou; zatiaľ čo kovový kus (zložený z veľmi malých kryštálov) sa deformuje.

Príklady

Nasledujúce štyri zlúčeniny zahŕňajú typy chemických väzieb vysvetlené:

-Fluorid sodný, NaF (Na⁺F^-): iónový.

-Sodík, Na: kovový.

-Fluór, F₂ (F-F): nepolárny kovalentný, pretože medzi obidvomi atómami je ΔE null, pretože sú identické.

-Fluorovodík, HF (H-F): polárny kovalentný, pretože v tejto zlúčenine je fluór viac elektronegatívny ako vodík.

Existujú zlúčeniny, ako napríklad vitamín B₁₂, ktorý má ako polárne, tak iónové kovalentné väzby (v zápornom náboji svojej fosfátovej skupiny -PO₄^--). V niektorých zložitých štruktúrach, ako sú kovové klastre, môžu všetky tieto typy prepojení existovať súčasne.

Hmota ponúka príklady chemických väzieb vo všetkých jej prejavoch. Od kameňa na dne rybníka a vody, ktorá ho obklopuje, až po ropuchy, ktoré sa škrčia na jeho okrajoch.

Hoci väzby môžu byť jednoduché, počet a priestorové usporiadanie atómov v molekulárnej štruktúre otvára cestu k bohatej diverzite zlúčenín.

Význam chemickej väzby

Aký je význam chemickej väzby? Neoceniteľný počet dôsledkov, ktoré by vyvolali neprítomnosť chemickej väzby, zdôrazňuje jej obrovský význam v prírode:

-Bez nej by farby neexistovali, pretože ich elektróny nebudú absorbovať elektromagnetické žiarenie. Častice prachu a ľadu prítomné v atmosfére by zmizli, a preto by sa modrá farba oblohy zatemnila.

-Uhlík nemohol vytvárať svoje nekonečné reťazce, z ktorých sú odvodené bilióny organických a biologických zlúčenín.

-Proteíny nemohli byť ani definované vo svojich aminokyselinách. Cukry a tuky by zmizli, ako aj akékoľvek zlúčeniny uhlíka v živých organizmoch.

-Zem by vybuchla z atmosféry, pretože v neprítomnosti chemických väzieb v plynoch by nebola žiadna sila, ktorá by ich držala pohromade. Medzi nimi nebude ani najmenšia intermolekulárna interakcia.

-Hory môžu zmiznúť, pretože ich kamene a minerály, aj keď sú ťažké, nemohli obsahovať ich atómy uložené v kryštalických alebo amorfných štruktúrach..

-Svet by bol tvorený solitérnymi atómami, ktoré nie sú schopné tvoriť pevné alebo kvapalné látky. To by tiež viedlo k zániku všetkej premeny hmoty; to znamená, že by nebola žiadna chemická reakcia. Všade len prchavé plyny.

referencie

1. Harry B. Grey. (1965). Elektrony a chemické väzby. W. A. BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, str. 233, 251, 278, 279.
3. Ship R. (2016). Chemické lepenie. Zdroj: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Typy chemických väzieb. (3. októbra 2006). Prevzaté z: dwb4.unl.edu
5. Tvorba chemických väzieb: Úloha elektrónov. [PDF]. Zdroj: cod.edu
6. Nadácia CK-12. (N. D.). Energia a tvorba kovalentných väzieb. Zdroj: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Kovalentné prepojenie koordinované alebo dative. Zdroj: quimitube.com