Zakaj se atomi lahko kombinirajo med seboj in tvorijo molekule? Kaj je razlog za možen obstoj snovi, ki vključujejo atome popolnoma različnih kemičnih elementov? To so globalna vprašanja, ki vplivajo na temeljne koncepte sodobne fizikalne in kemijske znanosti. Nanje lahko odgovorite, če imate idejo o elektronski strukturi atomov in poznate značilnosti kovalentne vezi, ki je osnovna osnova za večino razredov spojin. Namen našega članka je seznaniti se z mehanizmi nastajanja različnih vrst kemičnih vezi in značilnostmi lastnosti spojin, ki jih vsebujejo v svojih molekulah.
Elektronska struktura atoma
Elektronevtralni delci snovi, ki so njeni strukturni elementi, imajo strukturo, ki zrcali strukturo sončnega sistema. Kot se planeti vrtijo okoli osrednje zvezde – Sonca, se tako elektroni v atomu gibljejo okoli pozitivno nabitega jedra. Za karakterizacijoPri kovalentni vezi bodo pomembni elektroni, ki se nahajajo na zadnji energijski ravni in najbolj oddaljeni od jedra. Ker je njihova povezava s središčem lastnega atoma minimalna, jih lahko zlahka pritegnejo jedra drugih atomov. To je zelo pomembno za nastanek medatomskih interakcij, ki vodijo do tvorbe molekul. Zakaj je molekularna oblika glavna vrsta obstoja snovi na našem planetu? Odkrijmo.
Osnovna lastnost atomov
Zmožnost medsebojnega delovanja električno nevtralnih delcev, kar vodi do povečanja energije, je njihova najpomembnejša lastnost. Dejansko je v normalnih pogojih molekularno stanje snovi bolj stabilno kot atomsko stanje. Glavne določbe sodobne atomske in molekularne teorije pojasnjujejo tako načela tvorbe molekul kot značilnosti kovalentne vezi. Spomnimo se, da lahko zunanja energijska raven atoma vsebuje od 1 do 8 elektronov, v slednjem primeru bo plast popolna, kar pomeni, da bo zelo stabilna. Atomi žlahtnih plinov imajo tako zunanjo strukturo ravni: argon, kripton, ksenon - inertni elementi, ki dopolnjujejo vsako obdobje v sistemu D. I. Mendelejeva. Tu je izjema helij, ki ima na zadnji ravni ne 8, ampak le 2 elektrona. Razlog je preprost: v prvem obdobju obstajata le dva elementa, katerih atomi imajo eno samo elektronsko plast. Vsi drugi kemični elementi imajo od 1 do 7 elektronov na zadnji, nepopolni plasti. V procesu medsebojne interakcije bodo atomisi prizadevajo biti napolnjene z elektroni do okteta in obnoviti konfiguracijo atoma inertnega elementa. Takšno stanje je mogoče doseči na dva načina: z izgubo lastnih ali s sprejemanjem tujih negativno nabitih delcev. Te oblike interakcij pojasnjujejo, kako ugotoviti, ali se bo med reagirajočimi atomi oblikovala ionska ali kovalentna vez.
Mehanizmi za oblikovanje stabilne elektronske konfiguracije
Predstavljajmo si, da v reakcijo spojine vstopita dve preprosti snovi: kovinski natrij in plinasti klor. Nastane snov iz razreda soli - natrijev klorid. Ima ionsko vrsto kemične vezi. Zakaj in kako je do tega prišlo? Obrnimo se spet na strukturo atomov začetnih snovi. Natrij ima na zadnji plasti le en elektron, ki je zaradi velikega polmera atoma šibko vezan na jedro. Energija ionizacije vseh alkalijskih kovin, med katere spada tudi natrij, je nizka. Zato elektron zunanjega nivoja zapusti energetski nivo, ga pritegne jedro atoma klora in ostane v njegovem prostoru. To ustvarja precedens za prehod atoma Cl v obliko negativno nabitega iona. Zdaj nimamo več opravka z električno nevtralnimi delci, ampak z nabitimi natrijevimi kationi in klorovimi anioni. V skladu z zakoni fizike med njima nastanejo elektrostatične privlačne sile in spojina tvori ionsko kristalno mrežo. Mehanizem nastanka ionske vrste kemične vezi, ki ga obravnavamo, bo pomagal razjasniti posebnosti in glavne značilnosti kovalentne vezi.
Deljeni elektronski pari
Če se ionska vez pojavi med atomi elementov, ki so zelo različni po elektronegativnosti, torej kovine in nekovine, se kovalentni tip pojavi, ko medsebojno delujejo atomi enakih ali različnih nekovinskih elementov. V prvem primeru je običajno govoriti o nepolarni, v drugem pa o polarni obliki kovalentne vezi. Mehanizem njihovega nastanka je skupen: vsak od atomov delno daje elektrone za skupno uporabo, ki so združeni v parih. Toda prostorska razporeditev elektronskih parov glede na jedra atomov bo drugačna. Na podlagi tega se razlikujejo vrste kovalentnih vezi - nepolarne in polarne. Najpogosteje v kemičnih spojinah, sestavljenih iz atomov nekovinskih elementov, obstajajo pari, sestavljeni iz elektronov z nasprotnimi vrtljaji, to je, ki se vrtijo okoli svojih jeder v nasprotnih smereh. Ker gibanje negativno nabitih delcev v vesolju vodi v nastanek elektronskih oblakov, kar se na koncu konča z njihovim medsebojnim prekrivanjem. Kakšne so posledice tega procesa za atome in do česa vodi?
Fizikalne lastnosti kovalentne vezi
Izkazalo se je, da je med središčema dveh medsebojno delujočih atomov oblak dveh elektronov z visoko gostoto. Elektrostatične privlačne sile med samim negativno nabitim oblakom in jedri atomov se povečujejo. Del energije se sprosti in razdalje med atomskimi središči se zmanjšajo. Na primer, na začetku tvorbe molekule H2 je razdalja med jedri vodikovih atomovje 1,06 A, po prekrivanju oblakov in nastanku skupnega elektronskega para - 0,74 A. Primere kovalentne vezi, ki nastane po zgornjem mehanizmu, najdemo tako med preprostimi kot kompleksnimi anorganskimi snovmi. Njegova glavna značilnost je prisotnost skupnih elektronskih parov. Posledično po nastanku kovalentne vezi med atomi, na primer vodikom, vsak od njih pridobi elektronsko konfiguracijo inertnega helija, nastala molekula pa ima stabilno strukturo.
Prostorska oblika molekule
Druga zelo pomembna fizična lastnost kovalentne vezi je usmerjenost. Odvisno je od prostorske konfiguracije molekule snovi. Na primer, ko se dva elektrona prekrivata s sferičnim oblakom, je videz molekule linearen (vodikov klorid ali vodikov bromid). Oblika molekul vode, v kateri se hibridizirata s- in p-oblaki, je kotna, zelo močni delci plinastega dušika pa izgledajo kot piramida.
Struktura preprostih snovi - nekovine
Ko smo ugotovili, kakšna vez se imenuje kovalentna, kakšne znake ima, je zdaj čas, da se ukvarjamo z njenimi sortami. Če atomi iste nekovine - klora, dušika, kisika, broma itd., medsebojno delujejo, potem nastanejo ustrezne preproste snovi. Njihovi skupni elektronski pari se nahajajo na enaki razdalji od središč atomov, ne da bi se premikali. Za spojine z nepolarnim tipom kovalentne vezi so značilne naslednje značilnosti: nizko vrelišče intaljenje, netopnost v vodi, dielektrične lastnosti. Nato bomo ugotovili, za katere snovi je značilna kovalentna vez, v kateri pride do premika skupnih elektronskih parov.
Elektronegativnost in njen vpliv na vrsto kemične vezi
Lastnost določenega elementa, da privlači elektrone iz atoma drugega elementa, se v kemiji imenuje elektronegativnost. Lestvica vrednosti tega parametra, ki jo je predlagal L. Pauling, lahko najdete v vseh učbenikih o anorganski in splošni kemiji. Najvišjo vrednost - 4,1 eV - ima fluor, manjšo - druge aktivne nekovine, najnižji indikator pa je značilen za alkalijske kovine. Če elementi, ki se razlikujejo po svoji elektronegativnosti, reagirajo med seboj, bo neizogibno eden, bolj aktiven, pritegnil negativno nabite delce atoma bolj pasivnega elementa v svoje jedro. Tako so fizikalne lastnosti kovalentne vezi neposredno odvisne od sposobnosti elementov, da darujejo elektrone za skupno uporabo. Nastali skupni pari se ne nahajajo več simetrično glede na jedra, ampak so premaknjeni proti bolj aktivnemu elementu.
Lastnosti spojin s polarno vezjo
Snovi v molekulah katerih skupni elektronski pari so asimetrični glede na jedra atomov vključujejo vodikove halogenide, kisline, spojine halkogena z vodikom in kislinske okside. To so sulfatne in nitratne kisline, oksidi žvepla in fosforja, vodikov sulfid itd. Na primer, molekula vodikovega klorida vsebuje en skupni elektronski par,ki ga tvorijo neparni elektroni vodika in klora. Pomaknjen je bližje središču atoma Cl, ki je bolj elektronegativen element. Vse snovi s polarno vezjo v vodnih raztopinah disociirajo na ione in prevajajo električni tok. Spojine, ki imajo polarno kovalentno vez, katere primere smo navedli, imajo tudi višje tališče in vrelišče v primerjavi s preprostimi nekovinskimi snovmi.
Metode za prekinitev kemičnih vezi
V organski kemiji zamenjave nasičenih ogljikovodikov s halogeni sledijo radikalnemu mehanizmu. Mešanica metana in klora na svetlobi in pri običajni temperaturi reagira tako, da se molekule klora začnejo cepiti na delce, ki nosijo neparne elektrone. Z drugimi besedami, opazimo uničenje skupnega elektronskega para in nastanek zelo aktivnih radikalov -Cl. Sposobni so vplivati na molekule metana tako, da prekinejo kovalentno vez med atomi ogljika in vodika. Nastane aktivni delec –H in prosta valenca ogljikovega atoma prevzame klorov radikal in klorometan postane prvi produkt reakcije. Takšen mehanizem za cepitev molekul se imenuje homolitični. Če skupni par elektronov popolnoma preide v last enega od atomov, potem govorijo o heterolitičnem mehanizmu, značilnem za reakcije, ki potekajo v vodnih raztopinah. V tem primeru bodo polarne molekule vode povečale hitrost uničenja kemičnih vezi raztopljene spojine.
Dvojno in trojnopovezave
Velika večina organskih snovi in nekaterih anorganskih spojin vsebuje v svojih molekulah ne enega, ampak več skupnih elektronskih parov. Množičnost kovalentne vezi zmanjša razdaljo med atomi in poveča stabilnost spojin. Običajno so označeni kot kemično odporni. Na primer, v molekuli dušika so trije pari elektronov, ki so v strukturni formuli označeni s tremi črticami in določajo njegovo moč. Preprosta snov dušik je kemično inertna in lahko reagira z drugimi spojinami, kot so vodik, kisik ali kovine, le pri segrevanju ali pri povišanem tlaku, pa tudi v prisotnosti katalizatorjev.
Dvojne in trojne vezi so neločljive v takih razredih organskih spojin, kot so nenasičeni dienski ogljikovodiki, pa tudi snovi iz serije etilena ali acetilena. Več vezi določajo glavne kemijske lastnosti: reakcije adicije in polimerizacije, ki se pojavijo na mestih njihovega preloma.
V našem članku smo podali splošen opis kovalentne vezi in preučili njene glavne vrste.
