Kakršna koli interakcija med atomi je možna le, če obstaja kemijska vez. Takšna povezava je razlog za nastanek stabilnega poliatomskega sistema - molekulskega iona, molekule, kristalne mreže. Močna kemična vez zahteva veliko energije za prekinitev, zato je osnovna veličina za merjenje trdnosti vezi.
Pogoji za nastanek kemijske vezi
Nastanek kemične vezi vedno spremlja sproščanje energije. Ta proces se pojavi zaradi zmanjšanja potencialne energije sistema medsebojno delujočih delcev - molekul, ionov, atomov. Potencialna energija nastalega sistema medsebojno delujočih elementov je vedno manjša od energije nevezanih odhajajočih delcev. Tako je osnova za nastanek kemične vezi v sistemu zmanjšanje potencialne energije njegovih elementov.
Narava kemijske interakcije
Kemična vez je posledica interakcije elektromagnetnih polj, ki nastanejo okoli elektronov in atomskih jeder tistih snovi, ki sodelujejo pri nastanku nove molekule ali kristala. Po odkritju teorije atomske strukture je narava te interakcije postala bolj dostopna za proučevanje.
Prvič se je ideja o električni naravi kemijske vezi pojavila pri angleškem fiziku G. Davyju, ki je domneval, da molekule nastanejo zaradi električne privlačnosti nasprotno nabitih delcev. Ta ideja je zanimala švedskega kemika in naravoslovca I.Ya. Bercellius, ki je razvil elektrokemijsko teorijo o pojavu kemičnih vezi.
Prva teorija, ki je razlagala procese kemičnega medsebojnega delovanja snovi, je bila nepopolna in so jo sčasoma morali opustiti.
Butlerova teorija
Uspešnejši poskus razlage narave kemijske vezi snovi je naredil ruski znanstvenik A.M. Butlerov. Ta znanstvenik je svojo teorijo zasnoval na naslednjih predpostavkah:
- Atomi v vezanem stanju so med seboj povezani v določenem vrstnem redu. Sprememba tega vrstnega reda povzroči nastanek nove snovi.
- Atomi se med seboj vežejo po zakonih valence.
- Lastnosti snovi so odvisne od vrstnega reda vezave atomov v molekuli snovi. Drugačna ureditev povzroči spremembo kemijskih lastnosti snovi.
- Med seboj povezani atomi najmočneje vplivajo drug na drugega.
Teorija Butlerova je pojasnila lastnosti kemičnih snovi ne le z njihovo sestavo, ampak tudi z vrstnim redom razporeditve atomov. To interno naročilo A.M. Butlerov jo je poimenoval "kemijska struktura".
Teorija ruskega znanstvenika je omogočila vzpostavitev reda v klasifikaciji snovi in omogočila določitev strukture molekul glede na njihove kemijske lastnosti. Teorija je odgovorila tudi na vprašanje: zakaj imajo molekule, ki vsebujejo enako število atomov, različne kemijske lastnosti.
Predpogoji za nastanek teorij kemijske vezi
Butlerov se v svoji teoriji kemijske strukture ni dotaknil vprašanja, kaj je kemična vez. Za to je bilo premalo podatkov o notranji strukturi snovi. Šele po odkritju planetarnega modela atoma je ameriški znanstvenik Lewis začel razvijati hipotezo, da kemična vez nastane s tvorbo elektronskega para, ki hkrati pripada dvema atomoma. Kasneje je ta ideja postala temelj za razvoj teorije kovalentnih vezi.
Kovalentna kemična vez
Stabilna kemična spojina lahko nastane, ko se elektronski oblaki dveh sosednjih atomov prekrivajo. Posledica takšnega medsebojnega preseka je naraščajoča elektronska gostota v medjedrnem prostoru. Jedra atomov so, kot vemo, pozitivno nabita, zato se poskušajo približati negativno nabitemu elektronskemu oblaku čim bližje. Ta privlačnost je veliko močnejša od odbojnih sil med dvema pozitivno nabitima jedroma, zato je ta povezava stabilna.
Izračune kemičnih vezi sta prva opravila kemika Heitler in London. Preučevali so vez med dvema atomoma vodika. Najenostavnejša vizualna predstavitev bi lahko izgledala takole:
Kot lahko vidite, zavzema elektronski par kvantno mesto v obeh atomih vodika. Ta dvocentrična razporeditev elektronov se imenuje "kovalentna kemična vez". Kovalentne vezi so značilne za molekule enostavnih snovi in njihovih nekovinskih spojin. Snovi, ustvarjene s kovalentnimi vezmi, običajno ne prevajajo elektrike ali so polprevodniki.
Ionska vez
Ionska kemična vez nastane, ko se dva nasprotno nabita iona privlačita. Ioni so lahko preprosti, sestavljeni iz enega atoma snovi. V spojinah te vrste so enostavni ioni največkrat pozitivno nabiti kovinski atomi skupin 1 in 2, ki so izgubili svoj elektron. Tvorba negativnih ionov je lastna atomom tipičnih nekovin in njihovim kislim bazam. Zato so med značilnimi ionskimi spojinami številni halogenidi alkalijskih kovin, kot so CsF, NaCl in drugi.
Za razliko od kovalentne vezi ion ni nasičen: ionu ali skupini ionov se lahko pridruži različno število nasprotno nabitih ionov. Število pritrjenih delcev je omejeno le z linearnimi dimenzijami medsebojno delujočih ionov, pa tudi s pogojem, pod katerim morajo biti privlačne sile nasprotno nabitih ionov večje od odbojnih sil enako nabitih delcev, ki sodelujejo v spojini ionskega tipa.
Vodikova vez
Še pred nastankom teorije kemijske zgradbe je bilo eksperimentalno ugotovljeno, da imajo vodikove spojine z različnimi nekovinami nekoliko nenavadne lastnosti. Na primer, vrelišča vodikovega fluorida in vode so veliko višja, kot bi lahko pričakovali.
Te in druge značilnosti vodikovih spojin je mogoče razložiti s sposobnostjo atoma H +, da tvori drugo kemično vez. Ta vrsta povezave se imenuje "vodikova vez". Vzroki za nastanek vodikove vezi so v lastnostih elektrostatičnih sil. Na primer, v molekuli vodikovega fluorida je skupni elektronski oblak tako premaknjen proti fluoru, da je prostor okoli atoma te snovi nasičen z negativnim električnim poljem. Okoli vodikovega atoma, prikrajšanega za edini elektron, je polje veliko šibkejše in ima pozitiven naboj. Posledično nastane dodatno razmerje med pozitivnimi polji elektronskih oblakov H + in negativnimi F - .
Kemična vez kovin
Atomi vseh kovin se v prostoru nahajajo na določen način. Razporeditev kovinskih atomov imenujemo kristalna mreža. V tem primeru elektroni različnih atomov šibko medsebojno delujejo in tvorijo skupni elektronski oblak. Ta vrsta interakcije med atomi in elektroni se imenuje "kovinska vez".
Prav prosto gibanje elektronov v kovinah lahko pojasni fizikalne lastnosti kovinskih snovi: električno prevodnost, toplotno prevodnost, trdnost, taljivost in druge.
Je eden od temeljev zanimive znanosti, imenovane kemija. V tem članku bomo analizirali vse vidike kemijskih vezi, njihov pomen v znanosti, navedli primere in še veliko več.
Kaj je kemična vez
V kemiji kemijsko vez razumemo kot medsebojno lepljenje atomov v molekuli in kot posledico sile privlačnosti, ki obstaja med. Zaradi kemičnih vezi nastanejo različne kemične spojine;
Vrste kemičnih vezi
Mehanizem tvorbe kemične vezi je močno odvisen od njenega tipa ali vrste na splošno se razlikujejo naslednje glavne vrste kemičnih vezi:
- Kovalentna kemična vez (ki je lahko polarna ali nepolarna)
- Ionska vez
- Kemična vez
kot ljudje.
Kar se tiče tega, je na naši spletni strani posvečen ločen članek, podrobneje pa si lahko preberete na povezavi. Nato bomo podrobneje preučili vse druge glavne vrste kemičnih vezi.
Ionska kemična vez
Nastanek ionske kemične vezi nastane zaradi medsebojnega električnega privlačenja dveh ionov z različnimi naboji. Ioni v takšnih kemičnih vezeh so običajno enostavni, sestavljeni iz enega atoma snovi.
Shema ionske kemijske vezi.
Značilnost ionskega tipa kemijske vezi je njena nenasičenost, zaradi česar se lahko ionu ali celo celi skupini ionov pridruži zelo različno število nasprotno nabitih ionov. Primer ionske kemične vezi je spojina cezijevega fluorida CsF, v kateri je stopnja "ionskosti" skoraj 97 %.
Vodikova kemijska vez
Že dolgo pred pojavom sodobne teorije kemijskih vezi v njeni sodobni obliki so kemiki opazili, da imajo vodikove spojine z nekovinami različne neverjetne lastnosti. Recimo, da je vrelišče vode in skupaj z vodikovim fluoridom veliko višje, kot bi lahko bilo, tukaj je že pripravljen primer vodikove kemijske vezi.
Slika prikazuje diagram tvorbe vodikove kemijske vezi.
Naravo in lastnosti vodikove kemijske vezi določa sposobnost vodikovega atoma H, da tvori drugo kemijsko vez, od tod tudi ime te vezi. Razlog za nastanek takšne povezave so lastnosti elektrostatičnih sil. Na primer, skupni elektronski oblak v molekuli vodikovega fluorida je tako premaknjen proti fluoru, da je prostor okoli atoma te snovi nasičen z negativnim električnim poljem. Okoli atoma vodika, še posebej tistega, ki mu je odvzet edini elektron, je vse ravno obratno; njegovo elektronsko polje je veliko šibkejše in ima posledično pozitiven naboj. In pozitivni in negativni naboji se, kot veste, privlačijo in na ta preprost način nastane vodikova vez.
Kemična vez kovin
Kakšna kemijska vez je značilna za kovine? Te snovi imajo svojo vrsto kemijske vezi - atomi vseh kovin niso urejeni tako ali tako, ampak na določen način se njihov vrstni red imenuje kristalna mreža. Elektroni različnih atomov tvorijo skupni elektronski oblak in medsebojno delujejo šibko.
Tako izgleda kovinska kemična vez.
Primer kovinske kemične vezi je lahko katera koli kovina: natrij, železo, cink itd.
Kako določiti vrsto kemijske vezi
Glede na snovi, ki sodelujejo v njej, je vez ionska, če obstajata kovina in nekovina, je vez ionska, če sta dve kovini, je kovinska, če sta dve nekovini, je kovalentna.
Lastnosti kemijskih vezi
Za primerjavo različnih kemijskih reakcij se uporabljajo različne kvantitativne značilnosti, kot so:
- dolžina,
- energija,
- polarnost,
- vrstni red povezav.
Oglejmo si jih podrobneje.
Dolžina vezi je ravnotežna razdalja med jedri atomov, ki so povezani s kemično vezjo. Običajno se meri eksperimentalno.
Energija kemijske vezi določa njeno moč. V tem primeru se energija nanaša na silo, ki je potrebna za prekinitev kemične vezi in ločitev atomov.
Polarnost kemijske vezi kaže, koliko elektronske gostote je premaknjeno proti enemu od atomov. Sposobnost atomov, da premaknejo elektronsko gostoto proti sebi ali, preprosto povedano, da "potegnejo odejo nase" v kemiji se imenuje elektronegativnost.
Vrstni red kemijske vezi (z drugimi besedami, večkratnost kemijske vezi) je število elektronskih parov, ki vstopijo v kemijsko vez. Vrstni red je lahko cel ali delen; višje je število elektronov, ki izvajajo kemično vez in težje jo je prekiniti.
Kemična vez, video
In končno, izobraževalni video o različnih vrstah kemičnih vezi.
Enotne teorije kemijskih vezi ne obstaja, kemijske vezi so konvencionalno razdeljene na kovalentne (univerzalna vrsta vezi), ionske (poseben primer kovalentne vezi), kovinske in vodikove.
Kovalentna vez
Nastanek kovalentne vezi je možen s tremi mehanizmi: izmenjalni, donorsko-akceptorski in dativni (Lewis).
Po navedbah menjalni mehanizem Nastanek kovalentne vezi nastane zaradi delitve skupnih elektronskih parov. V tem primeru si vsak atom prizadeva pridobiti lupino inertnega plina, tj. pridobite zaključeno zunanjo energetsko raven. Nastanek kemijske vezi po vrsti izmenjave je prikazan z uporabo Lewisovih formul, v katerih je vsak valenčni elektron atoma predstavljen s pikami (slika 1).
riž. 1 Nastanek kovalentne vezi v molekuli HCl z izmenjalnim mehanizmom
Z razvojem teorije atomske zgradbe in kvantne mehanike nastanek kovalentne vezi predstavljamo kot prekrivanje elektronskih orbital (slika 2).
riž. 2. Nastanek kovalentne vezi zaradi prekrivanja elektronskih oblakov
Večje kot je prekrivanje atomskih orbital, močnejša je vez, krajša je dolžina vezi in večja je energija vezi. Kovalentna vez lahko nastane s prekrivanjem različnih orbital. Zaradi prekrivanja s-s, s-p orbital, pa tudi d-d, p-p, d-p orbital s stranskimi režnji pride do tvorbe vezi. Vez nastane pravokotno na premico, ki povezuje jedra 2 atomov. Ena in ena vez sta sposobni tvoriti večkratno (dvojno) kovalentno vez, značilno za organske snovi razreda alkenov, alkadienov itd. Ena in dve vezi tvorita večkratno (trojno) kovalentno vez, značilno za organske snovi razreda alkinov (acetilenov).
Tvorba kovalentne vezi s donorsko-akceptorski mehanizem Poglejmo primer amonijevega kationa:
NH 3 + H + = NH 4 +
7 N 1s 2 2s 2 2p 3
Atom dušika ima prosti osamljeni elektronski par (elektroni niso vključeni v tvorbo kemičnih vezi znotraj molekule), vodikov kation pa ima prosto orbitalo, zato sta donor in akceptor elektronov.
Oglejmo si dativni mehanizem tvorbe kovalentne vezi na primeru molekule klora.
17 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
Atom klora ima tako prosti osamljeni par elektronov kot prazne orbitale, zato lahko kaže tako lastnosti darovalca kot akceptorja. Zato, ko nastane molekula klora, en atom klora deluje kot donor, drugi pa kot akceptor.
Glavni značilnosti kovalentne vezi so: nasičenost (nasičene vezi nastanejo, ko atom nase veže toliko elektronov, kolikor mu dopuščajo valenčne sposobnosti; nenasičene vezi nastanejo, ko je število pripetih elektronov manjše od valenčnih zmožnosti atoma); usmerjenost (ta vrednost je povezana z geometrijo molekule in konceptom "veznega kota" - kota med vezmi).
Ionska vez
Spojine s čisto ionsko vezjo ne obstajajo, čeprav to razumemo kot kemično vezano stanje atomov, v katerem nastane stabilno elektronsko okolje atoma, ko se skupna elektronska gostota popolnoma prenese na atom bolj elektronegativnega elementa. Ionska vez je mogoča samo med atomi elektronegativnih in elektropozitivnih elementov, ki so v stanju nasprotno nabitih ionov – kationov in anionov.
OPREDELITEV
Ion so električno nabiti delci, ki nastanejo z odstranitvijo ali dodajanjem elektrona atomu.
Pri prenosu elektrona atomi kovine in nekovine težijo k oblikovanju stabilne konfiguracije elektronske lupine okoli svojega jedra. Atom nekovine ustvari lupino naslednjega inertnega plina okoli svojega jedra, atom kovine pa ustvari lupino prejšnjega inertnega plina (slika 3).
riž. 3. Tvorba ionske vezi na primeru molekule natrijevega klorida
Molekule, v katerih ionske vezi obstajajo v čisti obliki, se nahajajo v parnem stanju snovi. Ionska vez je zelo močna, zato imajo snovi s to vezjo visoko tališče. Za razliko od kovalentnih vezi za ionske vezi ni značilna usmerjenost in nasičenost, saj električno polje, ki ga ustvarjajo ioni, zaradi sferične simetrije deluje enako na vse ione.
Kovinska povezava
Kovinska vez se realizira samo v kovinah - to je interakcija, ki drži kovinske atome v eni sami rešetki. Pri tvorbi vezi sodelujejo samo valenčni elektroni kovinskih atomov, ki pripadajo njenemu celotnemu volumnu. V kovinah se elektroni nenehno odvajajo od atomov in se premikajo po celotni masi kovine. Kovinski atomi, prikrajšani za elektrone, se spremenijo v pozitivno nabite ione, ki težijo k sprejemanju premikajočih se elektronov. Ta neprekinjen proces tvori tako imenovani "elektronski plin" znotraj kovine, ki trdno veže vse kovinske atome skupaj (slika 4).
Kovinska vez je močna, zato je za kovine značilno visoko tališče, prisotnost "elektronskega plina" pa daje kovinam kovnost in duktilnost.
Vodikova vez
Vodikova vez je specifična medmolekulska interakcija, saj njegova pojavnost in jakost sta odvisni od kemijske narave snovi. Nastane med molekulami, v katerih je atom vodika vezan na atom z visoko elektronegativnostjo (O, N, S). Pojav vodikove vezi je odvisen od dveh razlogov: prvič, vodikov atom, povezan z elektronegativnim atomom, nima elektronov in se zlahka vključi v elektronske oblake drugih atomov, in drugič, ker ima valenčno s-orbitalo, atom vodika je sposoben sprejeti osamljeni par elektronov elektronegativnega atoma in z njim tvoriti vez po donorsko-akceptorskem mehanizmu.
Atomi večine elementov ne obstajajo ločeno, saj lahko medsebojno delujejo. Ta interakcija proizvaja bolj zapletene delce.
Narava kemijske vezi je delovanje elektrostatičnih sil, ki so sile interakcije med električnimi naboji. Takšne naboje imajo elektroni in atomska jedra.
Elektroni, ki se nahajajo na zunanjih elektronskih ravneh (valentni elektroni), so najbolj oddaljeni od jedra, z njim najšibkeje komunicirajo in se zato lahko odtrgajo od jedra. Odgovorni so za povezovanje atomov med seboj.
Vrste interakcij v kemiji
Vrste kemičnih vezi lahko predstavimo v naslednji tabeli:
Značilnosti ionske vezi
Kemična reakcija, do katere pride zaradi ionska privlačnost z različnimi naboji se imenuje ionski. To se zgodi, če imajo atomi, ki se vežejo, znatno razliko v elektronegativnosti (to je sposobnost privabljanja elektronov) in elektronski par preide k bolj elektronegativnemu elementu. Posledica tega prenosa elektronov iz enega atoma v drugega je nastanek nabitih delcev – ionov. Med njima se pojavi privlačnost.
Imajo najnižje indekse elektronegativnosti tipične kovine, največje pa so tipične nekovine. Ioni torej nastanejo z interakcijo med tipičnimi kovinami in tipičnimi nekovinami.
Kovinski atomi postanejo pozitivno nabiti ioni (kationi), ki oddajo elektrone svojim zunanjim elektronskim nivojem, nekovine pa sprejmejo elektrone in se tako spremenijo v negativno nabit ioni (anioni).
Atomi preidejo v stabilnejše energijsko stanje in s tem dokončajo svoje elektronske konfiguracije.
Ionska vez je neusmerjena in nenasičena, saj elektrostatična interakcija poteka v vseh smereh, zato lahko ion privlači ione nasprotnega predznaka v vse smeri.
Razporeditev ionov je taka, da je okoli vsakega določeno število nasprotno nabitih ionov. Pojem "molekula" za ionske spojine nima smisla.
Primeri izobraževanja
Tvorba vezi v natrijevem kloridu (nacl) je posledica prenosa elektrona z atoma Na na atom Cl, da nastanejo ustrezni ioni:
Na 0 - 1 e = Na + (kation)
Cl 0 + 1 e = Cl - (anion)
V natrijevem kloridu je okoli natrijevih kationov šest kloridnih anionov in okoli vsakega kloridnega iona šest natrijevih ionov.
Ko med atomi v barijevem sulfidu nastane interakcija, pride do naslednjih procesov:
Ba 0 - 2 e = Ba 2+
S 0 + 2 e = S 2-
Ba odda svoja dva elektrona žveplu, kar povzroči nastanek žveplovih anionov S 2- in barijevih kationov Ba 2+.
Kovinska kemična vez
Število elektronov na zunanjih energijskih nivojih kovin je majhno; zlahka se ločijo od jedra. Kot rezultat tega odcepitve nastanejo kovinski ioni in prosti elektroni. Ti elektroni se imenujejo "elektronski plin". Elektroni se prosto gibljejo po vsej prostornini kovine in so nenehno vezani in ločeni od atomov.
Struktura kovinske snovi je naslednja: kristalna mreža je okostje snovi, med njenimi vozlišči pa se lahko elektroni prosto gibljejo.
Navedemo lahko naslednje primere:
Mg - 2e<->Mg 2+
Cs-e<->Cs+
Ca - 2e<->Ca2+
Fe-3e<->Fe 3+
Kovalentni: polarni in nepolarni
Najpogostejša vrsta kemijske interakcije je kovalentna vez. Vrednosti elektronegativnosti elementov, ki medsebojno delujejo, se ne razlikujejo močno, zato pride le do premika skupnega elektronskega para na bolj elektronegativen atom.
Kovalentne interakcije lahko nastanejo z mehanizmom izmenjave ali mehanizmom donor-akceptor.
Mehanizem izmenjave se uresniči, če ima vsak od atomov neparne elektrone na zunanjih elektronskih ravneh in prekrivanje atomskih orbital vodi do pojava para elektronov, ki že pripada obema atomoma. Ko ima eden od atomov par elektronov na zunanjem elektronskem nivoju, drugi pa prosto orbitalo, ko se atomski orbitali prekrivata, je elektronski par deljen in medsebojno deluje v skladu z mehanizmom donor-akceptor.
Kovalentne delimo po množičnosti na:
- preprosta ali enojna;
- dvojno;
- trojčki.
Dvojni zagotavljajo delitev dveh parov elektronov hkrati, trojni pa tri.
Glede na porazdelitev elektronske gostote (polarnosti) med vezanimi atomi delimo kovalentno vez na:
- nepolarni;
- polarni.
Nepolarno vez tvorijo enaki atomi, polarno pa različna elektronegativnost.
Interakcija atomov s podobno elektronegativnostjo se imenuje nepolarna vez. Skupni par elektronov v takšni molekuli ne privlači nobenega atoma, ampak enako pripada obema.
Medsebojno delovanje elementov, ki se razlikujejo po elektronegativnosti, povzroči nastanek polarnih vezi. Pri tej vrsti interakcije skupne elektronske pare privlači bolj elektronegativen element, vendar se nanj ne prenesejo v celoti (to pomeni, da ne pride do tvorbe ionov). Zaradi tega premika elektronske gostote se na atomih pojavijo delni naboji: bolj elektronegativen ima negativen naboj, manj elektronegativen pa pozitiven.
Lastnosti in značilnosti kovalentnosti
Glavne značilnosti kovalentne vezi:
- Dolžina je določena z razdaljo med jedri medsebojno delujočih atomov.
- Polarnost je določena s premikom elektronskega oblaka proti enemu od atomov.
- Usmerjenost je lastnost tvorjenja vezi, usmerjenih v vesolje, in s tem molekul, ki imajo določene geometrijske oblike.
- Nasičenost določa sposobnost tvorbe omejenega števila vezi.
- Polarizabilnost je določena s sposobnostjo spreminjanja polarnosti pod vplivom zunanjega električnega polja.
- Energija, potrebna za prekinitev vezi, določa njeno moč.
Primer kovalentne nepolarne interakcije so lahko molekule vodika (H2), klora (Cl2), kisika (O2), dušika (N2) in mnogih drugih.
Molekula H· + ·H → H-H ima enojno nepolarno vez,
O: + :O → O=O molekula ima dvojno nepolarno,
Ṅ: + Ṅ: → N≡N molekula je trojno nepolarna.
Primeri kovalentnih vezi kemijskih elementov vključujejo molekule ogljikovega dioksida (CO2) in ogljikovega monoksida (CO), vodikovega sulfida (H2S), klorovodikove kisline (HCL), vode (H2O), metana (CH4), žveplovega oksida (SO2) in mnogi drugi.
V molekuli CO2 je razmerje med atomi ogljika in kisika kovalentno polarno, saj bolj elektronegativni vodik privlači elektronsko gostoto. Kisik ima dva nesparjena elektrona v svoji zunanji lupini, medtem ko lahko ogljik zagotovi štiri valenčne elektrone za oblikovanje interakcije. Posledično nastanejo dvojne vezi in molekula izgleda takole: O=C=O.
Da bi določili vrsto vezi v določeni molekuli, je dovolj, da upoštevamo njene sestavne atome. Enostavne kovinske snovi tvorijo kovinsko vez, kovine z nekovinami tvorijo ionsko vez, enostavne nekovine tvorijo kovalentno nepolarno vez in molekule, sestavljene iz različnih nekovin, tvorijo preko polarne kovalentne vezi.
Kovalentna kemična vez, njene sorte in mehanizmi nastanka. Značilnosti kovalentnih vezi (polarnost in energija vezi). Ionska vez. Kovinska povezava. Vodikova vez
Doktrina kemijske vezi je osnova vse teoretične kemije.
Kemično vez razumemo kot interakcijo atomov, ki jih veže v molekule, ione, radikale in kristale.
Poznamo štiri vrste kemijskih vezi: ionske, kovalentne, kovinske in vodikove.
Razdelitev kemičnih vezi na vrste je pogojna, saj je za vse značilna določena enotnost.
Ionsko vez lahko obravnavamo kot skrajni primer polarne kovalentne vezi.
Kovinska vez združuje kovalentno interakcijo atomov z uporabo skupnih elektronov in elektrostatično privlačnost med temi elektroni in kovinskimi ioni.
Snovi pogosto nimajo omejitvenih primerov kemične vezi (ali čiste kemične vezi).
Na primer, litijev fluorid $LiF$ je razvrščen kot ionska spojina. Pravzaprav je vez v njem $80%$ ionska in $20%$ kovalentna. Zato je očitno pravilneje govoriti o stopnji polarnosti (ionskosti) kemijske vezi.
V nizu vodikovih halogenidov $HF—HCl—HBr—HI—HAt$ se stopnja polarnosti vezi zmanjša, ker se zmanjša razlika v vrednostih elektronegativnosti atomov halogena in vodika, v astatnem vodiku pa vez postane skoraj nepolarna. $(EO(H) = 2,1; EO(At) = 2,2)$.
V istih snoveh lahko najdemo različne vrste vezi, na primer:
- v bazah: med atomoma kisika in vodika v hidrokso skupinah je vez polarna kovalentna, med kovino in hidrokso skupino pa ionska;
- v soli kislin, ki vsebujejo kisik: med atomom nekovine in kisikom kislega ostanka - kovalentno polarno in med kovino in kislim ostankom - ionsko;
- v amonijevih, metilamonijevih soli itd .: med dušikovimi in vodikovimi atomi - kovalentni polarni ter med amonijevimi ali metilamonijevimi ioni in kislinskim ostankom - ionski;
- v kovinskih peroksidih (npr. $Na_2O_2$) je vez med atomi kisika kovalentna nepolarna, med kovino in kisikom pa ionska itd.
Različne vrste povezav se lahko preoblikujejo ena v drugo:
— pri elektrolitski disociaciji kovalentnih spojin v vodi se kovalentna polarna vez spremeni v ionsko;
- pri izhlapevanju kovin se kovinska vez spremeni v nepolarno kovalentno vez itd.
Razlog za enotnost vseh vrst in vrst kemičnih vezi je njihova enaka kemična narava - elektron-jedrska interakcija. Tvorba kemične vezi je v vsakem primeru posledica elektronsko-jedrske interakcije atomov, ki jo spremlja sproščanje energije.
Metode tvorjenja kovalentnih vezi. Značilnosti kovalentne vezi: dolžina vezi in energija
Kovalentna kemična vez je vez, ki nastane med atomi s tvorbo skupnih elektronskih parov.
Mehanizem nastanka takšne vezi je lahko izmenjalni ali donorno-akceptorski.
JAZ. Menjalni mehanizem deluje, ko atomi tvorijo skupne elektronske pare z združevanjem neparnih elektronov.
1) $H_2$ - vodik:
Vez nastane zaradi tvorbe skupnega elektronskega para $s$-elektronov vodikovih atomov (prekrivajočih se $s$-orbital):
2) $HCl$ - vodikov klorid:
Vez nastane zaradi tvorbe skupnega elektronskega para $s-$ in $p-$elektronov (prekrivajočih se $s-p-$orbital):
3) $Cl_2$: v molekuli klora nastane kovalentna vez zaradi nesparjenih $p-$elektronov (prekrivajočih se $p-p-$orbital):
4) $N_2$: v molekuli dušika se med atomi tvorijo trije skupni elektronski pari:
II. Donorsko-akceptorski mehanizem Oglejmo si nastanek kovalentne vezi na primeru amonijevega iona $NH_4^+$.
Donor ima elektronski par, akceptor ima prazno orbitalo, ki jo ta par lahko zasede. V amonijevem ionu so vse štiri vezi z vodikovimi atomi kovalentne: tri so nastale zaradi ustvarjanja skupnih elektronskih parov z atomom dušika in vodikovimi atomi v skladu z mehanizmom izmenjave, ena - z mehanizmom donor-akceptor.
Kovalentne vezi lahko razvrstimo glede na način prekrivanja elektronskih orbital, pa tudi glede na njihov premik proti enemu od vezanih atomov.
Kemične vezi, ki nastanejo kot posledica prekrivanja elektronskih orbital vzdolž vezne črte, se imenujejo $σ$ -obveznice (sigma obveznice). Sigma vez je zelo močna.
$p-$orbitale se lahko prekrivajo v dveh regijah in tvorijo kovalentno vez zaradi stranskega prekrivanja:
Kemične vezi, ki nastanejo kot posledica "bočnega" prekrivanja elektronskih orbital zunaj komunikacijske linije, tj. na dveh področjih se imenujeta $π$ -vezi (pi-vezi).
Avtor: stopnja pomika skupne elektronske pare z enim od atomov, ki jih povezujejo, je lahko kovalentna vez polarni in nepolarni.
Kovalentna kemična vez, ki nastane med atomi z enako elektronegativnostjo, se imenuje nepolarni. Elektronski pari niso premaknjeni na nobenega od atomov, ker atomi imajo enako EO – lastnost privabljanja valenčnih elektronov iz drugih atomov. Na primer:
tiste. molekule enostavnih nekovinskih snovi nastanejo preko kovalentnih nepolarnih vezi. Imenuje se kovalentna kemična vez med atomi elementov, katerih elektronegativnost je različna polarni.
Dolžina in energija kovalentnih vezi.
Značilno lastnosti kovalentne vezi- njegova dolžina in energija. Dolžina povezave je razdalja med jedri atomov. Čim krajša je dolžina kemične vezi, tem močnejša je. Vendar je merilo moči povezave vezavna energija, ki je določena s količino energije, potrebne za prekinitev vezi. Običajno se meri v kJ/mol. Tako so po eksperimentalnih podatkih dolžine vezi molekul $H_2, Cl_2$ in $N_2$ $0,074, 0,198$ in $0,109$ nm, energije vezi pa $436, 242$ in $946$ kJ/mol.
Ioni. Ionska vez
Predstavljajmo si, da se »srečata« dva atoma: atom kovine I. skupine in atom nekovine VII. Kovinski atom ima en sam elektron na svoji zunanji energijski ravni, medtem ko atomu nekovine manjka samo en elektron, da bi bila njegova zunanja raven popolna.
Prvi atom bo drugemu zlahka odstopil svoj elektron, ki je oddaljen od jedra in nanj šibko vezan, drugi pa mu bo zagotovil prosto mesto na njegovi zunanji elektronski ravni.
Nato bo atom, prikrajšan za enega od svojih negativnih nabojev, postal pozitivno nabit delec, drugi pa se bo zaradi nastalega elektrona spremenil v negativno nabit delec. Takšni delci se imenujejo ioni.
Kemična vez, ki nastane med ioni, se imenuje ionska.
Razmislimo o nastanku te vezi na primeru dobro znane spojine natrijev klorid (kuhinjska sol):
Postopek pretvorbe atomov v ione je prikazan na diagramu:
Ta transformacija atomov v ione se vedno zgodi med interakcijo atomov tipičnih kovin in tipičnih nekovin.
Razmislimo o algoritmu (zaporedju) sklepanja pri snemanju tvorbe ionske vezi, na primer med atomi kalcija in klora:
Imenujejo se števila, ki kažejo število atomov ali molekul koeficientov, in imenujemo številke, ki kažejo število atomov ali ionov v molekuli indeksi.
Kovinska povezava
Spoznajmo, kako atomi kovinskih elementov medsebojno delujejo. Kovine običajno ne obstajajo kot izolirani atomi, temveč v obliki kosa, ingota ali kovinskega izdelka. Kaj drži kovinske atome v enem volumnu?
Atomi večine kovin vsebujejo majhno število elektronov na zunanji ravni - $1, 2, 3$. Ti elektroni se zlahka odstranijo in atomi postanejo pozitivni ioni. Ločeni elektroni se premikajo od enega iona k drugemu in jih povezujejo v eno celoto. Pri povezovanju z ioni ti elektroni začasno tvorijo atome, nato se spet odcepijo in združijo z drugim ionom itd. Posledično se v volumnu kovine atomi nenehno pretvarjajo v ione in obratno.
Vez v kovinah med ioni prek skupnih elektronov se imenuje kovinska.
Slika shematično prikazuje strukturo kovinskega fragmenta natrija.
V tem primeru majhno število skupnih elektronov veže veliko število ionov in atomov.
Kovinska vez ima nekaj podobnosti s kovalentno vezjo, saj temelji na delitvi zunanjih elektronov. Vendar pa se pri kovalentni vezi delijo zunanji nesparjeni elektroni le dveh sosednjih atomov, pri kovinski vezi pa pri delitvi teh elektronov sodelujejo vsi atomi. Zato so kristali s kovalentno vezjo krhki, s kovinsko vezjo pa so praviloma duktilni, električno prevodni in imajo kovinski lesk.
Kovinska vezava je značilna tako za čiste kovine kot za mešanice različnih kovin - zlitine v trdnem in tekočem stanju.
Vodikova vez
Kemična vez med pozitivno polariziranimi atomi vodika ene molekule (ali njenega dela) in negativno polariziranimi atomi močno elektronegativnih elementov z osamljenimi elektronskimi pari ($F, O, N$ in redkeje $S$ in $Cl$) druge molekule (ali njegov del) imenujemo vodik.
Mehanizem tvorbe vodikove vezi je deloma elektrostatičen, deloma donorsko-akceptorski.
Primeri medmolekularnih vodikovih vezi:
Ob prisotnosti takšne povezave so lahko tudi nizkomolekularne snovi v normalnih pogojih tekočine (alkohol, voda) ali zlahka utekočinjeni plini (amoniak, vodikov fluorid).
Snovi z vodikovimi vezmi imajo molekularne kristalne mreže.
Snovi molekulske in nemolekularne zgradbe. Vrsta kristalne mreže. Odvisnost lastnosti snovi od njihove sestave in strukture
Molekularna in nemolekularna zgradba snovi
V kemijske interakcije ne vstopijo posamezni atomi ali molekule, temveč snovi. Pod določenimi pogoji je lahko snov v enem od treh agregatnih stanj: trdnem, tekočem ali plinastem. Lastnosti snovi so odvisne tudi od narave kemijske vezi med delci, ki jo tvorijo – molekulami, atomi ali ioni. Glede na vrsto vezi ločimo snovi molekulske in nemolekularne zgradbe.
Snovi, sestavljene iz molekul, imenujemo molekularne snovi. Vezi med molekulami v takšnih snoveh so zelo šibke, veliko šibkejše kot med atomi znotraj molekule, in že pri razmeroma nizkih temperaturah se pretrgajo – snov se spremeni v tekočino in nato v plin (sublimacija joda). Tališča in vrelišča snovi, sestavljenih iz molekul, naraščajo z naraščajočo molekulsko maso.
Med molekularne snovi uvrščamo snovi z atomsko zgradbo ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), med njimi so kovine in nekovine.
Oglejmo si fizikalne lastnosti alkalijskih kovin. Relativno nizka trdnost vezi med atomi povzroča nizko mehansko trdnost: alkalijske kovine so mehke in jih je mogoče zlahka rezati z nožem.
Velike atomske velikosti vodijo do nizke gostote alkalijskih kovin: litij, natrij in kalij so celo lažji od vode. V skupini alkalijskih kovin se vrelišče in tališče z naraščanjem atomskega števila elementa nižata, ker Velikosti atomov se povečajo in vezi oslabijo.
Do snovi nemolekularni strukture vključujejo ionske spojine. Večina spojin kovin z nekovinami ima to zgradbo: vse soli ($NaCl, K_2SO_4$), nekateri hidridi ($LiH$) in oksidi ($CaO, MgO, FeO$), baze ($NaOH, KOH$). Ionske (nemolekularne) snovi imajo visoka tališča in vrelišča.
Kristalne mreže
Snov, kot je znano, lahko obstaja v treh agregatnih stanjih: plinastem, tekočem in trdnem.
Trdne snovi: amorfne in kristalinične.
Poglejmo si, kako značilnosti kemijskih vezi vplivajo na lastnosti trdnih snovi. Trdne snovi delimo na kristalni in amorfen.
Amorfne snovi nimajo jasnega tališča, pri segrevanju se postopoma zmehčajo in preidejo v tekoče stanje. Na primer, plastelin in različne smole so v amorfnem stanju.
Za kristalne snovi je značilna pravilna razporeditev delcev, iz katerih so sestavljene: atomov, molekul in ionov - na strogo določenih točkah v prostoru. Ko so te točke povezane z ravnimi črtami, se oblikuje prostorski okvir, imenovan kristalna mreža. Točke, na katerih se nahajajo kristalni delci, imenujemo vozlišča mreže.
Glede na vrsto delcev, ki se nahajajo na vozliščih kristalne mreže, in naravo povezave med njimi ločimo štiri vrste kristalnih mrež: ionski, atomski, molekularni in kovina.
Ionske kristalne mreže.
Ionski imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih so ioni. Tvorijo jih snovi z ionskimi vezmi, ki lahko vežejo tako enostavne ione $Na^(+), Cl^(-)$ kot kompleksne $SO_4^(2−), OH^-$. Posledično imajo soli ter nekateri oksidi in hidroksidi kovin ionske kristalne mreže. Na primer, kristal natrijevega klorida je sestavljen iz izmenjujočih se pozitivnih $Na^+$ in negativnih $Cl^-$ ionov, ki tvorijo mrežo v obliki kocke. Vezi med ioni v takem kristalu so zelo stabilne. Zato je za snovi z ionsko mrežo značilna relativno visoka trdota in trdnost, so ognjevzdržne in nehlapne.
Atomske kristalne mreže.
Atomsko imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih so posamezni atomi. V takih mrežah so atomi med seboj povezani z zelo močnimi kovalentnimi vezmi. Primer snovi s to vrsto kristalne mreže je diamant, ena od alotropskih modifikacij ogljika.
Večina snovi z atomsko kristalno mrežo ima zelo visoka tališča (na primer za diamant je nad 3500°C), so močne in trde ter praktično netopne.
Molekularne kristalne mreže.
Molekularno imenujemo kristalne mreže, v vozliščih katerih se nahajajo molekule. Kemične vezi v teh molekulah so lahko tako polarne ($HCl, H_2O$) kot nepolarne ($N_2, O_2$). Kljub temu, da so atomi znotraj molekul povezani z zelo močnimi kovalentnimi vezmi, med samimi molekulami delujejo šibke medmolekularne sile privlačnosti. Zato imajo snovi z molekularno kristalno mrežo nizko trdoto, nizka tališča in so hlapne. Večina trdnih organskih spojin ima molekularne kristalne mreže (naftalen, glukoza, sladkor).
Kovinske kristalne rešetke.
Snovi s kovinskimi vezmi imajo kovinske kristalne mreže. Na mestih takšnih mrež so atomi in ioni (bodisi atomi ali ioni, v katere se kovinski atomi zlahka pretvorijo in oddajo svoje zunanje elektrone "za skupno uporabo"). Ta notranja struktura kovin določa njihove značilne fizikalne lastnosti: kovnost, duktilnost, električno in toplotno prevodnost, značilen kovinski lesk.
