Koncept kemične vezi je zelo pomemben na različnih področjih kemije kot znanosti. To je posledica dejstva, da se z njegovo pomočjo posamezni atomi lahko združujejo v molekule, ki tvorijo vse vrste snovi, ki pa so predmet kemijskih raziskav.
Raznolikost atomov in molekul je povezana s pojavom različnih vrst vezi med njimi. Za različne razrede molekul so značilne lastne značilnosti porazdelitve elektronov in s tem lastne vrste vezi.
Osnovni koncepti
Kemična vez je niz interakcij, ki vodijo do vezave atomov, da tvorijo stabilne delce bolj kompleksne strukture (molekule, ioni, radikali), pa tudi agregate (kristali, stekla itd.). Narava teh interakcij je električna in nastanejo med porazdelitvijo valenčnih elektronov v približajočih se atomih.
Valenca se običajno imenuje sposobnost atoma, da tvori določeno število vezi z drugimi atomi. V ionskih spojinah se za vrednost valence vzame število danih ali vezanih elektronov. ATv kovalentnih spojinah je enako številu skupnih elektronskih parov.
Oksidacijsko stanje se razume kot pogojni naboj, ki bi lahko bil na atomu, če bi bile vse polarne kovalentne vezi ionske.
Množljivost vezi je število skupnih elektronskih parov med obravnavanimi atomi.
Vezi, ki jih obravnavamo v različnih vejah kemije, lahko razdelimo na dve vrsti kemičnih vezi: tiste, ki vodijo k tvorbi novih snovi (intramolekularne), in tiste, ki nastanejo med molekulami (medmolekularne).
Osnovne komunikacijske značilnosti
Energija vezave je energija, potrebna za prekinitev vseh obstoječih vezi v molekuli. To je tudi energija, ki se sprosti med tvorbo vezi.
Dolžina vezi je razdalja med sosednjimi jedri atomov v molekuli, na kateri sta sili privlačnosti in odbijanja uravnoteženi.
Ti dve značilnosti kemične vezi atomov sta merilo njene moči: krajša kot je dolžina in večja kot je energija, močnejša je vez.
Vežni kot običajno imenujemo kot med predstavljenimi črtami, ki potekajo v smeri vezanja skozi jedra atomov.
Metode za opis povezav
Najpogostejša dva pristopa k razlagi kemične vezi, izposojena iz kvantne mehanike:
Metoda molekularnih orbital. Molekulo obravnava kot niz elektronov in jeder atomov, pri čemer se vsak posamezen elektron giblje v polju delovanja vseh drugih elektronov in jeder. Molekula ima orbitalno strukturo in vsi njeni elektroni so razporejeni vzdolž teh orbit. Ta metoda se imenuje tudi MO LCAO, kar pomeni "molekularna orbitala - linearna kombinacija atomskih orbital".
Metoda valenčnih vezi. Predstavlja molekulo kot sistem dveh osrednjih molekularnih orbital. Poleg tega vsak od njih ustreza eni vezi med dvema sosednjima atomoma v molekuli. Metoda temelji na naslednjih določbah:
- Nastajanje kemične vezi izvaja par elektronov z nasprotnimi vrtljaji, ki se nahajata med obema obravnavanima atomoma. Nastali elektronski par pripada dvema atomoma enako.
- Število vezi, ki jih tvori en ali drug atom, je enako številu neparnih elektronov v prizemnem in vzbujenem stanju.
- Če elektronski pari ne sodelujejo pri tvorbi vezi, se imenujejo osamljeni pari.
elektronegativnost
Na podlagi razlike v vrednostih elektronegativnosti njenih sestavnih atomov je mogoče določiti vrsto kemične vezi v snoveh. Elektronegativnost je razumljena kot sposobnost atomov, da pritegnejo skupne elektronske pare (elektronski oblak), kar vodi do polarizacije vezi.
Obstajajo različni načini za določanje vrednosti elektronegativnosti kemičnih elementov. Vendar se najpogosteje uporablja lestvica, ki temelji na termodinamičnih podatkih, ki jo je leta 1932 predlagal L. Pauling.
Večja kot je razlika v elektronegativnosti atomov, bolj izrazita je njegova ionnost. Nasprotno, enake ali tesne vrednosti elektronegativnosti kažejo na kovalentno naravo vezi. Z drugimi besedami, mogoče je matematično določiti, katera kemična vez je opažena v določeni molekuli. Če želite to narediti, morate izračunati ΔX - razliko v elektronegativnosti atomov po formuli: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Če je ΔХ>1, 7, potem je vez ionska.
- Če je 0,5≦ΔХ≦1,7, potem je kovalentna vez polarna.
- Če je ΔХ=0 ali blizu njega, je vez kovalentna nepolarna.
ionska vez
Ionska je taka vez, ki se pojavi med ioni ali zaradi popolnega umika skupnega elektronskega para s strani enega od atomov. V snoveh se ta vrsta kemične vezi izvaja s silami elektrostatične privlačnosti.
Ioni so nabiti delci, ki nastanejo iz atomov kot posledica pridobivanja ali izgube elektronov. Ko atom sprejme elektrone, pridobi negativen naboj in postane anion. Če atom daruje valenčne elektrone, postane pozitivno nabit delec, imenovan kation.
To je značilno za spojine, ki nastanejo pri interakciji atomov tipičnih kovin z atomi tipičnih nekovin. Glavna stvar tega procesa je težnja atomov, da pridobijo stabilne elektronske konfiguracije. In za to morajo tipične kovine in nekovine dati ali sprejeti le 1-2 elektrona,kar počnejo z lahkoto.
Mehanizem nastanka ionske kemične vezi v molekuli tradicionalno obravnavamo na primeru interakcije natrija in klora. Atomi alkalijskih kovin zlahka darujejo elektron, ki ga potegne atom halogena. Rezultat je kation Na+ in anion Cl-, ki ju drži skupaj elektrostatična privlačnost.
Idealne ionske vezi ni. Tudi v takih spojinah, ki jih pogosto imenujemo ionske, ne pride do dokončnega prenosa elektronov z atoma na atom. Nastali elektronski par je še vedno v običajni uporabi. Zato govorijo o stopnji ionnosti kovalentne vezi.
Ionsko vez sta značilni dve glavni lastnosti, ki sta med seboj povezani:
- nesmerno, t.j. električno polje okoli iona ima obliko krogle;
- Nenasičenost, to je število nasprotno nabitih ionov, ki jih je mogoče postaviti okoli katerega koli iona, je določeno z njihovo velikostjo.
Kovalentna kemična vez
Vez, ki nastane, ko se elektronski oblaki nekovinskih atomov prekrivajo, kar pomeni, da jo izvede skupni elektronski par, se imenuje kovalentna vez. Število skupnih parov elektronov določa večkratnost vezi. Tako so atomi vodika povezani z enojno H··H vezjo, kisikovi atomi pa tvorijo dvojno vez O::O.
Obstajata dva mehanizma za njegovo tvorbo:
- Izmenjava - vsak atom predstavlja en elektron za tvorbo skupnega para: A +B=A: B, medtem ko povezava vključuje zunanje atomske orbitale, na katerih se nahaja en elektron.
- Donor-akceptor - za tvorbo vezi eden od atomov (donor) zagotovi par elektronov, drugi (akceptor) pa - prosto orbitalo za njegovo postavitev: A +:B=A:B.
Načini, na katere se elektronski oblaki prekrivajo, ko nastane kovalentna kemična vez, so prav tako različni.
- Direktno. Območje prekrivanja oblakov leži na ravni namišljeni črti, ki povezuje jedra obravnavanih atomov. V tem primeru nastanejo σ-vezi. Vrsta kemične vezi, ki se pojavi v tem primeru, je odvisna od vrste elektronskih oblakov, ki se prekrivajo: s-s, s-p, p-p, s-d ali p-d σ-vezi. V delcu (molekuli ali ionu) se lahko med dvema sosednjima atomoma pojavi samo ena σ-vez.
- stran. Izvaja se na obeh straneh črte, ki povezuje jedra atomov. Tako nastane π-vez, možne pa so tudi njene sorte: p-p, p-d, d-d. Ločeno od σ-vezi se π-vez nikoli ne oblikuje; lahko je v molekulah, ki vsebujejo večkratne (dvojne in trojne) vezi.
Lastnosti kovalentne vezi
Določajo kemične in fizikalne značilnosti spojin. Glavne lastnosti katere koli kemične vezi v snoveh so njena usmerjenost, polarnost in polarizabilnost, pa tudi nasičenost.
Smernost vezi določa značilnosti molekulezgradbo snovi in geometrijsko obliko njihovih molekul. Njegovo bistvo je v tem, da je z določeno orientacijo v prostoru možno najboljše prekrivanje elektronskih oblakov. Možnosti za nastanek σ- in π-vezi smo že obravnavali zgoraj.
Nasičenost je razumljena kot sposobnost atomov, da tvorijo določeno število kemičnih vezi v molekuli. Število kovalentnih vezi za vsak atom je omejeno s številom zunanjih orbital.
Polarnost vezi je odvisna od razlike v vrednostih elektronegativnosti atomov. Določa enakomernost porazdelitve elektronov med jedri atomov. Kovalentna vez na tej osnovi je lahko polarna ali nepolarna.
- Če skupni elektronski par enako pripada vsakemu od atomov in se nahaja na enaki razdalji od njihovih jeder, potem je kovalentna vez nepolarna.
- Če se skupni par elektronov premakne v jedro enega od atomov, nastane kovalentna polarna kemična vez.
Polarizabilnost je izražena s premikom veznih elektronov pod delovanjem zunanjega električnega polja, ki lahko pripada drugemu delcu, sosednjim vezi v isti molekuli ali prihaja iz zunanjih virov elektromagnetnih polj. Torej lahko kovalentna vez pod njihovim vplivom spremeni svojo polarnost.
Pod hibridizacijo orbital razumemo spremembo njihovih oblik pri izvajanju kemične vezi. To je potrebno za doseganje najučinkovitejšega prekrivanja. Obstajajo naslednje vrste hibridizacije:
- sp3. Ena s- in tri p-orbitale tvorijo štiri"hibridne" orbitale enake oblike. Navzven spominja na tetraeder s kotom med osema 109 °.
- sp2. Ena s- in dve p-orbitali tvorita raven trikotnik s kotom med osema 120°.
- sp. Ena s- in ena p-orbitala tvorita dve "hibridni" orbitali s kotom med osi 180°.
kovinska obveznica
Značilnost strukture kovinskih atomov je precej velik polmer in prisotnost majhnega števila elektronov v zunanjih orbitalah. Posledično je v takšnih kemičnih elementih vez med jedrom in valenčnimi elektroni relativno šibka in zlahka prekinjena.
Kovinska vez je takšna interakcija med kovinskimi atomi-ioni, ki se izvaja s pomočjo delokaliziranih elektronov.
V kovinskih delcih lahko valenčni elektroni zlahka zapustijo zunanje orbitale in na njih zasedejo prosta mesta. Tako je lahko v različnih časih isti delec atom in ion. Od njih odtrgani elektroni se prosto gibljejo po celotnem volumnu kristalne mreže in izvajajo kemično vez.
Ta vrsta vezi ima podobnosti z ionsko in kovalentno. Tako kot za ionske so ioni potrebni za obstoj kovinske vezi. Če pa so za izvedbo elektrostatične interakcije v prvem primeru potrebni kationi in anioni, potem v drugem vlogo negativno nabitih delcev igrajo elektroni. Če primerjamo kovinsko vez s kovalentno vezjo, potem tvorba obeh zahteva skupne elektrone. Vendar pa vza razliko od polarne kemične vezi niso lokalizirane med dvema atomoma, ampak pripadajo vsem kovinskim delcem v kristalni mreži.
Kovinske vezi so odgovorne za posebne lastnosti skoraj vseh kovin:
- plastičnost, prisotna zaradi možnosti premikanja plasti atomov v kristalni mreži, ki jo drži elektronski plin;
- kovinski lesk, ki ga opazimo zaradi odboja svetlobnih žarkov od elektronov (v praškastem stanju ni kristalne mreže in se s tem gibljejo elektroni po njej);
- električna prevodnost, ki jo izvaja tok nabitih delcev in v tem primeru se majhni elektroni prosto gibljejo med velikimi kovinskimi ioni;
- toplotna prevodnost, opažena zaradi sposobnosti elektronov za prenos toplote.
vodikova vez
Ta vrsta kemične vezi se včasih imenuje vmesna med kovalentno in medmolekulsko interakcijo. Če ima atom vodika vez z enim od močno elektronegativnih elementov (kot so fosfor, kisik, klor, dušik), potem lahko tvori dodatno vez, imenovano vodik.
Je veliko šibkejša od vseh zgoraj obravnavanih vrst vezi (energija ni večja od 40 kJ/mol), vendar je ni mogoče zanemariti. Zato je vodikova kemična vez na diagramu videti kot pikčasta črta.
Pojav vodikove vezi je možen zaradi sočasne elektrostatične interakcije darovalec-akceptor. Velika razlika v vrednostihelektronegativnost vodi do pojava presežne elektronske gostote na atomih O, N, F in drugih ter do njenega pomanjkanja na atomu vodika. V primeru, da med takšnimi atomi ne obstaja kemična vez, se aktivirajo privlačne sile, če so dovolj blizu. V tem primeru je proton akceptor elektronskega para, drugi atom pa darovalec.
Vodikova vez se lahko pojavi tako med sosednjimi molekulami, na primer, voda, karboksilne kisline, alkoholi, amoniak, kot znotraj molekule, na primer, salicilna kislina.
Prisotnost vodikove vezi med molekulami vode pojasnjuje številne njene edinstvene fizikalne lastnosti:
- Vrednosti njegove toplotne kapacitete, dielektrične konstante, vrelišča in tališča bi morale biti v skladu z izračuni veliko manjše od dejanskih, kar je razloženo z vezavo molekul in potrebo po porabi energija za prekinitev medmolekularnih vodikovih vezi.
- Za razliko od drugih snovi, ko temperatura pade, se količina vode poveča. To je posledica dejstva, da molekule zasedajo določen položaj v kristalni strukturi ledu in se oddaljujejo druga od druge za dolžino vodikove vezi.
Ta povezava ima za žive organizme posebno vlogo, saj njena prisotnost v beljakovinskih molekulah določa njihovo posebno strukturo in s tem njihove lastnosti. Poleg tega so nukleinske kisline, ki sestavljajo dvojno vijačnico DNK, povezane tudi natančno z vodikovimi vezmi.
Komunikacija v kristalih
Velika večina trdnih snovi ima kristalno mrežo - posebnomedsebojna razporeditev delcev, ki jih tvorijo. V tem primeru opazimo tridimenzionalno periodičnost, atomi, molekule ali ioni pa se nahajajo na vozliščih, ki so povezana z namišljenimi črtami. Glede na naravo teh delcev in vezi med njimi so vse kristalne strukture razdeljene na atomske, molekularne, ionske in kovinske.
V vozliščih ionske kristalne mreže so kationi in anioni. Poleg tega je vsak od njih obdan s strogo določenim številom ionov z le nasprotnim nabojem. Tipičen primer je natrijev klorid (NaCl). Ponavadi imajo visoko tališče in trdoto, saj zahtevajo veliko energije za zlom.
Molekule snovi, ki jih tvori kovalentna vez, se nahajajo na vozliščih molekularne kristalne mreže (na primer I2). Med seboj so povezani s šibko van der Waalsovo interakcijo, zato je takšno strukturo enostavno uničiti. Takšne spojine imajo nizko vrelišče in tališče.
Atomsko kristalno mrežo tvorijo atomi kemičnih elementov z visokimi valenčnimi vrednostmi. Povezujejo jih močne kovalentne vezi, kar pomeni, da imajo snovi visoko vrelišče, tališče in visoko trdoto. Primer je diamant.
Tako imajo vse vrste vezi, ki jih najdemo v kemikalijah, svoje značilnosti, ki pojasnjujejo zapletenost interakcije delcev v molekulah in snoveh. Lastnosti spojin so odvisne od njih. Določajo vse procese, ki se dogajajo v okolju.
