CHEMICKÁ VÄZBA: VLASTNOSTI, SPÔSOB ICH VZNIKU, TYPY - CHÉMIA - 2026

Chemická väzba je sila, ktorá dokáže udržať pohromade atómy, ktoré tvoria záležitosť. Každý typ látky má charakteristickú chemickú väzbu, ktorá pozostáva z účasti jedného alebo viacerých elektrónov. Sily, ktoré viažu atómy v plynoch, sa teda líšia napríklad od kovov.

Všetky prvky periodickej tabuľky (s výnimkou hélia a ľahkých vzácnych plynov) môžu navzájom vytvárať chemické väzby. Povaha týchto prvkov je však modifikovaná v závislosti od toho, z ktorých prvkov pochádzajú elektróny, ktoré ich tvoria. Základným parametrom na vysvetlenie typu väzby je elektronegativita.

Zdroj: Autor Ymwang42 (talk) .Ymwang42 na en.wikipedia, z Wikimedia Commons

Rozdiel v elektronegativite (ΔE) medzi dvoma atómami definuje nielen typ chemickej väzby, ale aj fyzikálno-chemické vlastnosti zlúčeniny. Tieto soli sa vyznačujú tým, že iónové väzby (vysoký AE), a mnoho z organických zlúčenín, ako je napríklad vitamín B ₁₂ (horná obrázok), majú kovalentných väzieb (nízka AE).

Vo vyššej molekulovej štruktúre každá z čiar predstavuje kovalentnú väzbu. Kliny naznačujú, že spojenie vychádza z roviny (smerom k čítačke) a podčiarknuté za rovinu (preč od čítačky). Všimnite si, že existujú dvojité väzby (=) a atóm kobaltu koordinovaný s piatimi atómami dusíka a bočným reťazcom R.

Prečo sa však takéto chemické väzby tvoria? Odpoveď spočíva v energetickej stabilite zúčastnených atómov a elektrónov. Táto stabilita musí vyvážiť elektrostatické odpory, ktoré sa vyskytujú medzi elektrónovými mrakmi a jadrami, a príťažlivosť, ktorú jadro spôsobuje na elektrónoch susedného atómu.

Definícia chemickej väzby

Mnoho autorov uviedlo definície chemickej väzby. Zo všetkých z nich bola najdôležitejšia fyzikálno-chemička GN Lewis, ktorá definovala chemickú väzbu ako účasť elektrónov medzi dvoma atómami. Ak atómy A · a · B môžu prispieť jedným elektrónom, potom sa medzi nimi vytvorí jednoduchá väzba A: B alebo A - B.

Pred vytvorením väzby sú obidva A a B oddelené neurčitou vzdialenosťou, ale pri spojení existuje sila, ktorá ich drží pohromade v kremeline AB a vzdialenosť (alebo dĺžka) väzby.

vlastnosti

Zdroj: Gabriel Bolívar

Aké sú charakteristiky tejto sily, ktorá drží atómy pohromade? Tieto závisia viac od typu spojenia medzi A a B ako od ich elektronických štruktúr. Napríklad spojenie A - B je smerové. Čo to znamená? To, že sila vyvinutá spojením páru elektrónov môže byť znázornená na osi (akoby išlo o valec).

Toto spojenie tiež vyžaduje zlomenie energie. Toto množstvo energie sa môže vyjadriť v jednotkách kJ / mol alebo cal / mol. Keď sa na zlúčeninu AB (napríklad teplom) aplikuje dostatočné množstvo energie, rozloží sa na pôvodné atómy A a B.

Čím je väzba stabilnejšia, tým viac energie potrebuje na oddelenie viazaných atómov.

Na druhej strane, keby väzba v zlúčenine AB bola iónová, A ⁺ B ^- , potom by to bola nesmerová sila. Prečo? Pretože A ⁺ pôsobí príťažlivou silou na B ^- (a naopak), ktorá viac závisí od vzdialenosti, ktorá oddeľuje oba ióny v priestore, než od ich relatívnej polohy.

Toto pole príťažlivosti a odporu spája ďalšie ióny a vytvára takzvanú kryštalickú mriežku (horný obrázok: katión A ⁺ leží obklopený štyrmi aniónmi B ^- a tieto sú obklopené štyrmi katiónmi A ⁺ atď.).

Ako sa tvoria chemické väzby?

Homonukleárne zlúčeniny AA

Zdroj: Gabriel Bolívar

Na to, aby pár elektrónov vytvoril väzbu, je veľa vecí, ktoré treba zvážiť ako prvé. Jadrá, povedzme jadrá A, majú protóny, a preto sú pozitívne. Ak sú dva atómy A veľmi vzdialené, to znamená vo veľkej internukleárnej vzdialenosti (horný obrázok), nepociťujú žiadnu príťažlivosť.

Keď sa dva atómy A priblížia k jadrám, priťahujú elektrónový mrak susedného atómu (fialový kruh). Toto je sila príťažlivosti (A na susednom fialovom kruhu). Avšak dve jadrá A sa navzájom odpudzujú, pretože sú pozitívne a táto sila zvyšuje potenciálnu energiu väzby (vertikálna os).

Existuje internukleárna vzdialenosť, v ktorej potenciálna energia dosiahne minimum; to znamená, že atraktívne aj odpudivé sily (dva atómy A v dolnej časti obrázka) sú vyvážené.

Ak sa táto vzdialenosť po tomto bode zníži, väzba spôsobí veľmi silné odpudenie týchto dvoch jadier, čo destabilizuje zlúčeninu AA.

Aby sa vytvorilo spojenie, musí existovať energeticky primeraná internukleárna vzdialenosť; a okrem toho sa musia atómy atómov obeživa správne prekrývať, aby sa elektróny mohli viazať.

Heteronukleárne zlúčeniny AB

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

Pretože väzba A - B sa vytvára vo vhodnej internukleárnej vzdialenosti, pár elektrónov sa bude nachádzať hlavne v blízkosti najviac elektronegatívneho atómu. Toto je prípad všetkých heteronukleárnych chemických zlúčenín, ktoré tvoria prevažnú väčšinu tých, ktoré sú známe (a budú známe).

Hoci to nie je uvedené podrobne, existuje mnoho premenných, ktoré priamo ovplyvňujú spôsob, akým sa atómy približujú a vytvárajú sa chemické väzby; niektoré sú termodynamické (je reakcia spontánna?), elektronické (ako plné alebo prázdne sú orbitaly atómov) a iné kinetické.

Druhy chemických väzieb

Odkazy majú sériu charakteristík, ktoré ich od seba odlišujú. Niektoré z nich môžu byť usporiadané do troch hlavných klasifikácií: kovalentné, iónové alebo kovové.

Aj keď existujú zlúčeniny, ktorých väzby patria do jedného typu, mnohé z nich v skutočnosti pozostávajú zo zmesi znakov každého z nich. Táto skutočnosť je spôsobená rozdielom v elektroegativite medzi atómami, ktoré tvoria väzby. Niektoré zlúčeniny teda môžu byť kovalentné, ale môžu mať vo svojich väzbách určitý iónový charakter.

Podobne typ väzby, štruktúra a molekulová hmotnosť sú kľúčové faktory, ktoré určujú makroskopické vlastnosti látky (jas, tvrdosť, rozpustnosť, teplota topenia atď.).

-Kovalentná väzba

Kovalentné väzby sú tie, ktoré boli doteraz vysvetlené. V nich sa musia dve orbitaly (každý elektrón v každom) prekrývať s jadierami oddelenými príslušnou internukleárnou vzdialenosťou.

Podľa teórie molekulárnej orbitálnej dráhy (TOM), ak je prekrývanie orbitálov frontálne, vytvorí sa sigma σ väzba (ktorá sa tiež nazýva jednoduchá alebo jednoduchá väzba). Zatiaľ čo ak sú obežné dráhy tvorené priečnymi a kolmými prekrývaniami vzhľadom na internuclear os, budeme mať π väzby (dvojité a trojité):

Zdroj: Gabriel Bolívar

Jednoduchý odkaz

Σ väzba, ako je možné vidieť na obrázku, je vytvorená pozdĺž vnútornej jadrovej osi. Aj keď to nie je uvedené, A a B môžu mať iné väzby, a preto svoje vlastné chemické prostredie (rôzne časti molekulárnej štruktúry). Tento typ spojenia sa vyznačuje svojou rotačnou silou (zelený valec) a je najsilnejším zo všetkých.

Napríklad jednoduchá väzba v molekule vodíka sa môže otáčať okolo vnútornej jadrovej osi (H - H). Podobne môže hypotetická molekula CA - AB.

Odkazy 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 obmedzená (pretože by sa C a B zrážali).

Jednotlivé väzby sa nachádzajú prakticky vo všetkých molekulách. Jeho atómy môžu mať akúkoľvek chemickú hybridizáciu, pokiaľ je prekrývanie ich orbitálov frontálne. Ak sa vrátime na štruktúru vitamínu B ₁₂ , každý jednotlivý čiara (-) znamená jednoduchú väzbu (napríklad CONH ₂ väzby ).

Dvojitý odkaz

Double lepenie vyžaduje atómy byť (zvyčajne) sp ² hybridizovány . Čistý p väzba, kolmo na tri sp ² hybridný orbitals , tvoria dvojitú väzbu, ktorá je zobrazená ako sivasto list.

Všimnite si, že súčasne existuje jednoduchá väzba (zelený valec) aj dvojitá väzba (sivý list). Na rozdiel od jednoduchých väzieb však dvojité väzby nemajú rovnakú slobodu rotácie okolo jadrovej osi. Je to preto, že na točenie sa musí spojka (alebo fólia) zlomiť; proces, ktorý potrebuje energiu.

Tiež väzba A = B je reaktívnejšia ako A - B. Jeho dĺžka je kratšia a atómy A a B sú v kratšej interjadrovej vzdialenosti; preto existuje väčšie odpudenie oboch jadier. Prelomenie jednoduchej aj dvojitej väzby vyžaduje viac energie, ako je potrebné na oddelenie atómov v molekule A - B.

V štruktúre vitamínu B ₁₂ je možné pozorovať niekoľko dvojitých väzieb: C = O, P = O, a v aromatických kruhoch.

Trojitá väzba

Trojitá väzba je dokonca kratšia ako dvojitá väzba a jej rotácia je energeticky obmedzená. V ňom sú vytvorené dve n väzby, ktoré sú navzájom kolmé (sivé a fialové listy), ako aj jednoduchá väzba.

Obvykle musí byť chemická hybridizácia atómov A a B sp: dva orbitaly od seba vzdialené 180 ° a dva čisté orbitaly kolmé na prvý. Všimnite si, že trojitá väzba vyzerá ako lopatka, ale bez rotačnej sily. Táto väzba môže byť reprezentovaný ako A≡B (N≡N, molekuly dusíka N ₂ ).

Zo všetkých kovalentných väzieb je to najreaktívnejšia; ale zároveň tú, ktorá potrebuje viac energie na úplné oddelenie svojich atómov (· A: +: B ·). Ak vitamín B ₁₂ má trojitú väzbu vo svojej molekulárnej štruktúre, jeho farmakologický účinok sa výrazne zmení.

Šesť elektrónov sa zúčastňuje trojitých väzieb; v štvorhrach, štyri elektróny; a to jednoducho alebo jednoducho, dva.

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

Nepolárna väzba

Kovalentná väzba spočíva v rovnakom zdieľaní páru elektrónov medzi dvoma atómami. Toto je však striktne pravdivé iba v prípade, keď majú oba atómy rovnakú elektronegativitu; to znamená rovnakú tendenciu prilákať elektrónovú hustotu z jej okolia do zlúčeniny.

Nepolárne väzby sú charakterizované nulovým rozdielom v elektroegativite (ΔE≈0). K tomu dochádza v dvoch situáciách: v homonukleárních zlúčeniny (A ₂ ), alebo v prípade, že chemické prostredie na oboch stranách zväzku sú ekvivalentné (H ₃ C - CH ₃ , etán molekula).

Príklady nepolárnych väzieb sú uvedené v nasledujúcich zlúčeninách:

-Hydrogen (H - H)

- Kyslík (O = O)

-Nitrogén (N = N)

-Fluór (F - F)

-Chlór (Cl - Cl)

-Acetylén (HC = CH)

Polárne väzby

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

Aby došlo k polárnym väzbám, musia sa spojiť dva atómy s rôznymi elektronegativitou; a tak tvoria heteronukleárne zlúčeniny. A - B sa podobá magnetu: má kladný a záporný pól. To mu umožňuje interagovať s inými molekulami prostredníctvom dipól-dipólových síl, medzi ktoré patria vodíkové väzby.

Voda má dve polárne kovalentné väzby, H - O - H a jej molekulárna geometria je uhlová, čo zvyšuje jej dvojpólový moment. Keby bola jeho geometria lineárna, oceány by sa odparili a voda by mala nižší bod varu.

Skutočnosť, že zlúčenina má polárne väzby , neznamená, že je polárna . Napríklad, tetrachlórmetán, CCl ₄ , má štyri polárne CCL väzby, ale vzhľadom k ich štvorboký usporiadanie dipólový moment končí sa vektorovo zrušené.

Dentálne alebo koordinačné prepojenia

Keď sa atóm vzdá dvojice elektrónov, aby vytvoril kovalentnú väzbu s iným atómom, potom hovoríme o dátívnej alebo koordinačnej väzbe. Napríklad, ak má B: dostupný pár elektrónov a A (alebo A ⁺ ), elektronické voľné miesto, vytvorí sa väzba B: A.

V štruktúre vitamínu B ₁₂ sú piatich atómy dusíka spojené s kovovou stredu Čo cez tento typ kovalentnej väzby. Tieto dusíky sa vzdávajú párov voľných elektrónov katiónu Co ³⁺ , kov s nimi koordinuje (Co ³⁺ : N–)

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

H ₃ N + H ⁺ => NH ₄ ⁺

Uvedomte si, že v obidvoch prípadoch je to atóm dusíka, ktorý prispieva k elektrónom; preto k dátovej alebo koordinačnej kovalentnej väzbe dochádza, keď atóm sám prispieva párom elektrónov.

Rovnakým spôsobom môže byť molekula vody protónovaná, aby sa stala katiónom hydrónia (alebo oxónia):

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

Na rozdiel od amoniového katiónu, hydroniové má stále voľný pár elektrónov (H ₃ O: ⁺ ); však, je veľmi ťažké, aby mohla prijať ďalšie protón za vzniku nestabilné hydroniový dication, H ₄ O ²⁺ .

- Iónová väzba

Zdroj: Pixabay

Na obrázku je biely kopec soli. Soli sa vyznačujú kryštalickými štruktúrami, to znamená symetrickými a usporiadanými; vysoké teploty topenia a teploty varu, vysoké elektrické vodivosti pri tavení alebo rozpúšťaní a jeho ióny sú silne viazané elektrostatickými interakciami.

Tieto interakcie tvoria to, čo je známe ako iónová väzba. Na druhom obrázku bol zobrazený katión A ⁺ obklopený štyrmi aniónmi B ^- , ale toto je 2D zobrazenie. V troch rozmeroch by A ⁺ malo mať ďalšie anióny B ^- pred a za rovinou, tvoriace rôzne štruktúry.

Takto môže mať A ⁺ šesť, osem alebo dokonca dvanásť susedov. Počet susedov obklopujúcich ión v kryštáli sa nazýva koordinačné číslo (NC). Pre každý NC je spojený typ kryštalického usporiadania, ktoré zase tvorí pevnú fázu soli.

Symetrické a fazetované kryštály pozorované v soliach sú dôsledkom rovnováhy vytvorenej elektrostatickými interakciami príťažlivosti (A ⁺ B ^- ) a odporu (A ⁺ A ⁺ , B ^- B ^- ).

výcvik

Prečo však A + a B ^- alebo Na ⁺ a Cl ^- netvoria kovalentné väzby Na - Cl? Pretože atóm chlóru je omnoho elektronegatívnejší ako kovový sodík, vyznačuje sa tiež veľmi ľahkým vzdaním sa elektrónov. Keď sa tieto prvky stretnú, exotermicky reagujú a vytvárajú stolovú soľ:

2Na (s) + Cl ₂ (g) => 2NaCl (y)

Dva atómy sodíka vzdať svoju jedinú valenčný elektrón (Na ·) na dvojatómovú molekuly Cl ₂ , a tvoria tak Cl ^- anióny .

Interakcie medzi sodnými katiónmi a chloridovými aniónmi, hoci predstavujú slabšiu väzbu ako kovalentné, sú schopné ich pevne spojiť v pevnej látke; a táto skutočnosť sa odráža vo vysokej teplote topenia soli (801 ° C).

Kovová väzba

Zdroj: Pixnio

Posledný typ chemických väzieb je kovový. Nachádza sa na ľubovoľných kovových alebo zliatinových častiach. Vyznačuje sa tým, že je špeciálny a odlišný od ostatných, pretože elektróny neprechádzajú z jedného atómu na druhý, ale skôr cestujú ako more cez kryštál kovov.

Kovové atómy, t.j. meď, tak vzájomne premiešajú svoje valenčné orbitaly, aby vytvorili vodivé pásy; cez ktoré elektróny (s, p, dof) prechádzajú okolo atómov a držia ich pevne pri sebe.

V závislosti od počtu elektrónov, ktoré prechádzajú cez kovový kryštál, od orbitálov určených pre pásy a od ich atómov, môže byť kov mäkký (ako alkalické kovy), tvrdý, lesklý alebo dobrý vodič elektriny a hot.

Sila, ktorá drží atómy kovov, ako sú tie, ktoré tvoria malého muža v obraze a jeho notebooku, je väčšia ako sila.

Toto sa dá experimentálne overiť, pretože kryštály solí sa môžu rozdeliť na niekoľko polovíc pred mechanickou silou; zatiaľ čo kovový kus (zložený z veľmi malých kryštálov) sa zdeformuje.

Príklady odkazov

Nasledujúce štyri zlúčeniny zahŕňajú typy vysvetlených chemických väzieb:

-Natrium fluorid, NaF (Na ⁺ F ^- ): iónová.

-Sodík, Na: kovový.

-Fluor, F ₂ (F - F): nepolárne kovalentnej, vzhľadom k tomu, že je null AE medzi oboma atómami, pretože sú zhodné.

- Fluorid vodíka, HF (H - F): polárny kovalent, pretože v tejto zlúčenine je fluór elektronegatívnejší ako vodík.

K dispozícii sú zlúčeniny, ako je vitamín B ₁₂ , ktoré majú obe polárne a iónovej kovalentnej väzby (v zápornému náboji jeho fosfátovú skupinu -po ₄ ^- -). V niektorých zložitých štruktúrach, ako sú napríklad kovové zhluky, môžu všetky tieto typy spojení existovať dokonca súčasne.

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

Aj keď väzby môžu byť jednoduché, počet a priestorové usporiadanie atómov v molekulovej štruktúre vytvára priestor pre bohatú rozmanitosť zlúčenín.

Dôležitosť chemickej väzby

Aká je dôležitosť chemickej väzby? Nevyčísliteľný počet dôsledkov, ktoré by neprítomnosť chemickej väzby vyvolala, poukazuje na jej obrovský význam:

- Bez toho by však farby neexistovali, pretože jeho elektróny by neabsorbovali elektromagnetické žiarenie. Častice prachu a ľadu prítomné v atmosfére by zmizli, a preto by modrá farba oblohy stmavla.

- Uhlík nemohol tvoriť svoje nekonečné reťazce, z ktorých pochádzajú miliardy organických a biologických zlúčenín.

- Bielkoviny sa nedali definovať ani v ich základných aminokyselinách. Cukry a tuky by zmizli, rovnako ako akékoľvek uhlíkaté zlúčeniny v živých organizmoch.

- Zem by nemala atmosféru, pretože keby neexistovala chemická väzba v jej plynoch, neexistovala by žiadna sila, ktorá by ich držala pohromade. Medzi nimi by tiež nebola najmenšia intermolekulárna interakcia.

-Jednice by mohli zmiznúť, pretože ich horniny a minerály, hoci sú ťažké, nemohli obsahovať atómy zabalené vo svojich kryštalických alebo amorfných štruktúrach.

- Svet by sa skladal zo samostatných atómov, ktoré nie sú schopné tvoriť pevné alebo tekuté látky. To by tiež viedlo k zániku akejkoľvek premeny hmoty; to znamená, že by nedošlo k žiadnej chemickej reakcii. Len prchavé plyny všade.

Referencie

1. Harry B. Gray. (1965). Lepenie elektrónov a chemikálií. WA BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, s. 233, 251, 278, 279.
3. Nave R. (2016). Chemické lepenie. Získané z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Druhy chemických väzieb. (3. októbra 2006). Prevzaté z: dwb4.unl.edu
5. Tvorba chemických väzieb: úloha elektrónov. , Získané z: cod.edu
6. Nadácia CK-12. (SF). Tvorba energetických a kovalentných dlhopisov. Obnovené z: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Súradnicová alebo dátová kovalentná väzba. Obnovené z: quimitube.com