Kemijska povezava, značilnosti, kako se oblikujejo, vrste

The kemično vez sila je tista, ki skupaj zadržuje atome, ki sestavljajo materijo. Vsaka vrsta snovi ima značilno kemično vez, ki je sestavljena iz udeležbe enega ali več elektronov. Tako so sile, ki združujejo atome v plinih, različne, na primer iz kovin.

Vsi elementi periodnega sistema (z izjemo helija in lahkih plemenitih plinov) lahko tvorijo kemijske vezi med seboj. Vendar pa se narava teh sprememb spreminja glede na to, kateri elementi prihajajo iz elektronov, ki jih tvorijo. Bistveni parameter za razlago vrste povezav je elektronegativnost.

Razlika v elektronegativnosti (ΔE) med dvema atomoma opredeljuje ne le tip kemijske vezi, temveč tudi fizikalno-kemijske lastnosti spojine. Za soli so značilne ionske vezi (visoka ΔE) in mnoge organske spojine, kot je vitamin B₁₂ (zgornja slika), kovalentne vezi (nizka ΔE).

V zgornji molekularni strukturi vsaka od linij predstavlja kovalentno vez. Klini kažejo, da povezava izhaja iz ravnine (proti čitalniku) in tiste, ki so podčrtane iz ravnine (stran od bralca). Upoštevajte, da obstajajo dvojne vezi (=) in kobaltov atom usklajeno s petimi atomi dušika in stransko verigo R.

Toda zakaj se oblikujejo takšne kemične vezi? Odgovor leži v energetski stabilnosti sodelujočih atomov in elektronov. Ta stabilnost mora uravnotežiti elektrostatična odbijanja med elektronskimi oblaki in jedri ter privlačnost jedra na elektrone sosednjega atoma..

Indeks

• 1 Opredelitev kemijske vezi
• 2 Značilnosti
• 3 Kako se oblikujejo
  • 3.1 Homonuklearne spojine A-A
  • 3.2 Heteronuklearne spojine A-B
• 4 Vrste
  • 4.1 - Kovalentna povezava
  • 4.2 - Jonska povezava
  • 4.3 Kovinska povezava
• 5 Primeri
• 6 Pomen kemijske vezi
• 7 Reference

Opredelitev kemijske vezi

Številni avtorji so podali definicije kemijske vezi. Najpomembnejši med njimi je bil fizikalno-kemijski G. N. Lewis, ki je kemično vez opredelil kot udeležbo para elektronov med dvema atomoma. Če atomi A · in · B lahko zagotovita en sam elektron, se med njimi oblikuje preprosta povezava A: B ali A-B.

Pred nastankom povezave sta oba A in B ločena z nedoločeno razdaljo, toda pri povezovanju je zdaj sila, ki jih drži skupaj v diatomski spojini AB in razdaljo (ali dolžino) povezave.

Funkcije

Katere značilnosti ima ta sila, ki drži atome skupaj? Te so bolj odvisne od vrste povezave med A in B kot od njihovih elektronskih struktur. Povezava A-B je na primer usmerjena. Kaj misliš s tem? Da je sila, ki jo povzroča združitev para elektronov, lahko predstavljena na osi (kot da je valj).

Tudi ta povezava zahteva energijo za prekinitev. Ta količina energije se lahko izrazi v enotah kJ / mol ali kal / mol. Ko je na AB spojino uporabljena dovolj energije (na primer s toploto), se bo disociirala na prvotne A-in-B atome..

Bolj stabilna je povezava, večja je količina energije, ki jo potrebuje za ločevanje pridruženih atomov.

Po drugi strani pa, če je bila vez v spojini AB ionska, A⁺B^-, potem bi bila neusmerjena sila. Zakaj? Ker A⁺ ima privlačno silo na B^- (in obratno), ki je bolj odvisna od razdalje, ki ločuje oba iona v prostoru, kot na relativni lokaciji.

To polje privlačnosti in odbijanja zbira druge ione, da tvorijo tako imenovano kristalno mrežo (zgornja slika: kation A).⁺ leži obkrožen s štirimi anioni B^-, in teh štirih kationov A⁺ in tako naprej).

Kako se oblikujejo

Homonuklearne spojine A-A

Za par elektronov, ki tvorijo vez, obstaja veliko vidikov, ki jih je treba najprej obravnavati. Jedra, da rečemo tista iz A, imajo protone in so zato pozitivna. Kadar sta dva atoma A oddaljena drug od drugega, to je na veliki internuklearni razdalji (top image), ne doživljata nobene privlačnosti.

Ko se približata dvema atomoma A, njuna jedra privabita elektronski oblak sosednjega atoma (vijoličen krog). To je privlačna sila (A nad sosednjim vijoličnim krogom). Oba jedra A se odbijajo s pozitivnim, ta sila pa poveča potencialno energijo vezi (navpična os)..

Obstaja internuklearna razdalja, na kateri potencialna energija doseže minimum; to pomeni, da sta tako privlačna sila kot odbojna sila uravnoteženi (oba atoma A v spodnjem delu slike).

Če se ta razdalja po tej točki zmanjša, bo povezava povzročila, da se obe jedri zelo močno odbijajo, destabilizira spojino A-A..

Torej mora biti povezava, ki jo je treba oblikovati, energetsko ustrezna med-jedrska razdalja; poleg tega se morajo atomske orbitale pravilno prekrivati, tako da so elektroni povezani.

Heteronuklearne spojine A-B

Kaj če namesto dveh atomov A združimo enega od A in drugega B? V tem primeru bi se zgornji graf spremenil, ker bi eden od atomov imel več protonov kot drugi, in elektronski oblaki različnih velikosti.

Ko se A-B vezi oblikuje na pravilni internuklearni razdalji, se par elektronov najde predvsem v bližini najbolj elektronegativnega atoma. To se zgodi z vsemi heteronuklearnimi kemičnimi spojinami, ki tvorijo veliko večino tistih, ki so znane (in bodo znane)..

Čeprav ni podrobno omenjeno, obstajajo številne spremenljivke, ki neposredno vplivajo na to, kako se atomi približujejo in se tvorijo kemične vezi; nekateri so termodinamični (ali je reakcija spontana?), elektronska (kako polna ali prazna so orbitale atomov) in druga kinetika.

Vrste

Povezave predstavljajo vrsto značilnosti, ki jih ločujejo druga od druge. Več jih je mogoče uokviriti v tri glavne klasifikacije: kovalentno, ionsko ali kovinsko.

Čeprav obstajajo spojine, katerih povezave pripadajo eni sami vrsti, mnogi sestavljajo mešanice znakov vsakega. To dejstvo je posledica razlike v elektronegativnosti med atomi, ki sestavljajo vezi. Tako so lahko nekatere spojine kovalentne, vendar imajo v svojih vezih določen ionski značaj.

Tudi vrsta vezi, struktura in molekulska masa so ključni dejavniki, ki določajo makroskopske lastnosti materiala (svetlost, trdota, topnost, tališče itd.).

-Kovalentna vez

Kovalentne vezi so tiste, ki so bile do sedaj pojasnjene. V njih se morata dve orbitali (vsak elektron v vsakem) prekrivati ​​z ločenimi jedri na ustrezni med-nuklearni razdalji.

V skladu s teorijo molekularne orbite (TOM), če je prekrivanje orbitalov frontalno, se oblikuje sigma σ vez (ki se imenuje tudi preprosta ali preprosta povezava). Če se orbitale oblikujejo s stranskimi in pravokotnimi prekrivanji glede na medzvočno os, bodo prisotne π (dvojne in trojne) povezave:

Enostavna povezava

Povezava σ, ki jo vidimo na sliki, se oblikuje vzdolž internuklearne osi. Čeprav ni prikazano, imata A in B lahko druge povezave, torej lastna kemijska okolja (različni deli molekularne strukture). Za to vrsto povezave je značilna rotacijska moč (zeleni valj) in najmočnejši od vseh.

Na primer, preprosta vez molekule vodika se lahko vrti na med-jedrski osi (H-H). Na enak način lahko to stori hipotetična molekula CA-AB.

Povezave C-A, A-A in A-B se vrtijo; če pa sta C ali B atomi ali skupina obsežnih atomov, je rotacija A-A sterično ovirana (ker bi se C in B zrušili).

Enostavne vezi najdemo v skoraj vseh molekulah. Njihovi atomi imajo lahko kakršnokoli kemično hibridizacijo, dokler je prekrivanje njihovih orbitalov frontalno. Če se vrnemo k strukturi vitamina B₁₂, vsaka posamezna vrstica (-) označuje eno povezavo (na primer povezave -CONH₂).

Dvojna povezava

Dvojna vez zahteva, da imajo atomi (običajno) sp hibridizacijo². Čista p vez, pravokotna na tri sp hibridne orbitale², oblikuje dvojno vez, ki je prikazana kot sivkasta plošča.

Upoštevajte, da hkrati obstajata enojna povezava (zeleni valj) in dvojna povezava (siva plošča). Vendar pa za razliko od preprostih povezav dvojniki nimajo enake svobode vrtenja okoli medzvočne osi. Razlog za to je, da je treba povezavo (ali list) prekiniti; proces, ki potrebuje energijo.

Tudi povezava A = B je bolj reaktivna kot A-B. Dolžina tega je manjša, atomi A in B pa na manjšo med sebojno razdaljo; zato je med obema jedroa večja odbojnost. Prekinitev obeh povezav, enojnih in dvojnih, zahteva več energije, kot je potrebno za ločevanje atomov v A-B molekuli.

V strukturi vitamina B₁₂ opazimo lahko več dvojnih vezi: C = O, P = O in znotraj aromatskih obročev.

Trojna povezava

Trojna vez je še krajša od dvojne vezi, njena rotacija pa je energetsko slabša. V njej se tvorita dve pravokotni π povezavi (sivi in ​​vijolični listi), kot tudi preprosta povezava.

Običajno mora biti kemijska hibridizacija atomov A in B sp: dve sp orbitali, ločeni s 180 °, in dve čisti p orbitali pravokotno na prvo. Upoštevajte, da trojna vez spominja na paleto, vendar brez rotacijske moči. To povezavo lahko preprosto predstavimo kot A≡B (N ,N, N-dušikovo molekulo)₂).

Od vseh kovalentnih vezi je to najbolj reaktivno; vendar hkrati tisti, ki potrebuje več energije za popolno ločitev svojih atomov (· A: +: B ·). Če je vitamin B₁₂ je imela v svoji molekularni strukturi trojno vez, njen farmakološki učinek bi se drastično spremenil.

V trojnih obveznicah sodeluje šest elektronov; v dvojicah, štiri elektrone; in preprosto ali preprosto, dve.

Nastanek ene ali več teh kovalentnih vezi je odvisen od elektronske razpoložljivosti atomov; to pomeni, koliko elektronov potrebuje svoje orbitale za pridobitev valentnega okteta.

Nepolarna povezava

Kovalentna vez je sestavljena iz pravične delitve para elektronov med dvema atomoma. Toda to je povsem res samo v primeru, ko imata oba atoma enako elektronegativnost; to je enaka težnja po privabljanju elektronske gostote svojega okolja znotraj spojine.

Nepolarne vezi so označene z razliko ničelne elektronegativnosti (ΔE≈0). To se zgodi v dveh situacijah: v homonuklearni spojini (A₂), ali če so kemijska okolja na obeh straneh povezave enakovredna (H₃C-CH₃, molekula etana).

Primeri nepolarnih povezav so prikazani v naslednjih spojinah:

-Vodik (H-H)

-Kisik (O = O)

-Dušik (N≡N)

-Fluor (F-F)

-Klor (Cl-Cl)

-Acetilen (HC≡CH)

Polarne povezave

Če je med obema atomoma opazna razlika v elektronegativnosti ΔE, se vzdolž osi povezave tvori dipolni moment: A^δ+-B^δ-. V primeru heteronuklearne spojine AB je B najbolj elektronegativen atom, zato ima največjo elektronsko gostoto δ-; medtem ko je A, najmanj elektronegativno, pomanjkanje obremenitve δ+.

Da bi se pojavile polarne vezi, moramo združiti dva atoma z različnimi elektronegativadami; in tako tvorijo heteronuklearne spojine. A-B spominja na magnet: ima pozitivni pol in negativen pol. To omogoča interakcijo z drugimi molekulami preko dipol-dipolskih sil, med katerimi so tudi vodikove vezi.

Voda ima dve polarni kovalentni vezi, H-O-H, njena molekularna geometrija pa je kotna, kar poveča njen dipolni moment. Če bi bila njegova geometrija linearna, bi oceani izhlapeli in voda bi imela nižjo točko vrelišča.

Dejstvo, da ima spojina polarne vezi, ne pomeni, da je polarna. Na primer, ogljikov tetraklorid, CCl₄, ima štiri polarne vezi C-Cl, toda z njihovo tetraedrsko razporeditvijo se dipolni trenutek vektorsko ukinja.

Dative ali koordinacijske povezave

Ko atom dobi par elektronov, ki tvorijo kovalentno vez z drugim atomom, potem govorimo o dativni ali koordinacijski vezi. Na primer, če imate B: razpoložljiv par elektronov in A (ali A)⁺), elektronsko delovno mesto, povezava B: A.

V strukturi vitamina B₁₂ pet dušikovih atomov je vezanih na kovinsko središče Co s to vrsto kovalentne vezi. Ti dušiki dajejo svoj par prostih elektronov kationu Co³⁺, usklajevanje kovin z njimi (Co³⁺: N-)

Drug primer lahko najdemo v protonaciji molekule amoniaka, da nastane amonij:

H₃N: + H⁺ => NH₄⁺

Upoštevajte, da je v obeh primerih atom dušika tisti, ki prispeva elektrone; zato se kovalentna dativ ali koordinacijska vez zgodi, kadar atom sam prispeva par elektronov.

Podobno lahko vodno molekulo protoniramo, da jo pretvorimo v kation kationa: \ t

H₂O + H⁺ => H₃O⁺

Za razliko od amonijevega kationa ima hidronium še vedno prost par elektronov (H₃O:⁺); vendar je zelo težko sprejeti drug proton za tvorbo nestabilnega dihidrogen hidroniuma, H₄O²⁺.

-Jonska vez

Na sliki je bel bel hrib soli. Za soli so značilne kristalne strukture, to je simetrične in urejene; visoka talilna in vrelišča, visoka električna prevodnost pri taljenju ali raztapljanju in tudi njihovi ioni so močno povezani z elektrostatičnimi interakcijami.

Te interakcije sestavljajo tako imenovano ionsko vez. Na drugi sliki je bil prikazan kation A⁺ obkrožen s štirimi anioni B^-, toda to je 2D predstavitev. V treh dimenzijah, A⁺ imeti druge anione B^- naprej in za ravnino, ki tvori različne strukture.

Torej, A⁺ ima lahko šest, osem ali celo dvanajst sosedov. Število sosedov, ki obdajajo ion v kristalu, je znano kot koordinacijska številka (NC). Za vsak N.C je povezan tip kristalinične ureditve, ki predstavlja trdno fazo soli.

Simetrični in obrnjeni kristali, ki jih vidimo v soli, so posledica ravnovesja, ki ga določajo privlačne interakcije (A).⁺ B^-) in odbijanje (A⁺ A⁺, B^- B^-elektrostatično).

Usposabljanje

Ampak, zakaj A + in B^-, ali Na⁺ in Cl^-, ne tvorijo kovalentnih vezi Na-Cl? Ker je atom klora mnogo bolj elektronegativen kot natrijeva kovina, za katero je značilno, da zelo enostavno oddaja svoje elektrone. Ko so ti elementi najdeni, reagirajo eksotermno, da proizvajajo kuhinjsko sol:

2Na (s) + Cl₂(g) => 2NaCl (s)

Dva natrijeva atoma dobita svoj edinstveni valenčni elektron (Na ·) k diatomični molekuli Cl₂, za tvorbo Cl anionov^-.

Interakcije med natrijevimi kationi in kloridnimi anioni, čeprav predstavljajo šibkejšo vez, kot kovalentne, lahko ohranijo močno vezavo v trdni snovi; in to dejstvo se odraža v visoki točki taljenja soli (801 ° C).

Kovinska povezava

Zadnja vrsta kemičnih vezav je kovinska. To je mogoče najti na vsakem kosu iz kovine ali zlitine. Zanj je značilno, da je poseben in drugačen od drugih, ker elektroni ne prehajajo iz enega atoma v drugega, ampak potujejo, kot morje, kristali kovin..

Tako se kovinski atomi, v smislu bakra, medsebojno prepletajo z valenčnimi orbitali, da oblikujejo prevodne pasove; pri čemer elektroni (s, p, d ali f) prehajajo okoli atomov in jih držijo tesno vezani.

Glede na število elektronov, ki prehajajo skozi kovinski kristal, orbitale za pasove in pakiranje njihovih atomov, je lahko kovina mehka (kot alkalijske kovine), trda, svetla ali dobra prevodnica električne energije in toplote.

Sila, ki drži skupaj atome kovin, kot so tisti, ki sestavljajo malega človeka na sliki in njegovem prenosnem računalniku, je boljša od tiste iz soli..

To se lahko eksperimentalno preveri, ker lahko kristali soli pred mehansko silo razdelimo na več polovic; medtem ko je kovinski kos (sestavljen iz zelo majhnih kristalov) deformiran.

Primeri

Naslednje štiri spojine vključujejo vrste kemijskih vezi, ki so pojasnjene:

-Natrijev fluorid, NaF (Na⁺F^-): ionski.

-Natrij, Na: kovinski.

-Fluor, F₂ (F-F): nepolarna kovalentna, ker je med obema atomoma nična E, ker sta identična.

-Hidrogen fluorid, HF (H-F): polarni kovalentni, ker je v tej spojini fluor bolj elektronegativen kot vodik.

Obstajajo spojine, kot je vitamin B₁₂, ki ima tako polarne kot ionske kovalentne vezi (v negativnem naboju njegove fosfatne skupine -PO₄^--). V nekaterih kompleksnih strukturah, kot so kovinski grozdi, lahko vse te vrste povezav obstajajo.

Material ponuja primere kemijskih vezi v vseh njegovih pojavnih oblikah. Od kamna na dnu ribnika in vode, ki jo obkroža, do krast, ki hripajo na njenih robovih.

Čeprav so povezave lahko preproste, število in prostorska razporeditev atomov v molekularni strukturi odpira pot bogati raznolikosti spojin.

Pomen kemijske vezi

Kakšen je pomen kemične vezi? Neizračunljivo število posledic, ki bi sprostile odsotnost kemične vezi, poudarja njegov izjemen pomen v naravi:

-Brez nje barve ne bi obstajale, ker njihovi elektroni ne bi absorbirali elektromagnetnega sevanja. Delci prahu in ledu, ki so prisotni v ozračju, bi izginili, zato bi modra barva neba postala temna.

-Ogljik ne more oblikovati svojih neskončnih verig, iz katerih izhajajo trilijoni organskih in bioloških spojin.

-Beljakovin ni mogoče opredeliti niti v njihovih sestavnih aminokislinah. Sladkorji in maščobe bi izginili, kakor tudi vse ogljikove spojine v živih organizmih.

-Zemlja bi zmanjkala atmosfere, ker v odsotnosti kemičnih vezi v njenih plinih ne bi bilo sile, ki bi jih držala skupaj. Prav tako ne bi bilo med njimi najmanjšega medmolekularnega medsebojnega delovanja.

-Gore bi lahko izginile, ker njihove kamnine in minerali, čeprav težki, ne bi mogli vsebovati svojih atomov, pakiranih v njihove kristalne ali amorfne strukture..

-Svet bi nastal z osamljenimi atomi, ki ne bi mogli tvoriti trdnih ali tekočih snovi. To bi povzročilo tudi izginotje vseh sprememb v materiji; to pomeni, da ne bi bilo kemijske reakcije. Samo minljivi plini so povsod.

Reference

1. Harry B. Gray. (1965). Elektroni in kemična vezava. W.A. BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija (8. izd.). CENGAGE Learning, str. 233, 251, 278, 279.
3. Ladja R. (2016). Kemična vezava. Vzpostavljeno iz: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Vrste kemičnih vezav. (3. oktober 2006). Vzeto iz: dwb4.unl.edu
5. Oblikovanje kemijskih vezi: Vloga elektronov. [PDF] Vzpostavljeno iz: cod.edu
6. Fundacija CK-12. (s.f.). Nastajanje energije in kovalentne vezave. Vzpostavljeno iz: chem.libretexts.org
7. Quimitube (2012). Kovalentna povezava je koordinirana ali dativna. Vzpostavljeno iz: quimitube.com