Proč se atomy mohou vzájemně spojovat a vytvářet molekuly? Jaký je důvod možné existence látek, které zahrnují atomy zcela odlišných chemických prvků? Toto jsou globální problémy ovlivňující základní koncepty moderní fyzikální a chemické vědy. Můžete na ně odpovědět, mít představu o elektronové struktuře atomů a znát charakteristiky kovalentní vazby, která je základním základem pro většinu tříd sloučenin. Účelem našeho článku je seznámit se s mechanismy tvorby různých typů chemických vazeb a se znaky vlastností sloučenin, které je obsahují ve svých molekulách.
Elektronická struktura atomu
Elektroneutrální částice hmoty, které jsou jejími strukturálními prvky, mají strukturu, která zrcadlí strukturu sluneční soustavy. Jak planety obíhají kolem centrální hvězdy – Slunce, tak se elektrony v atomu pohybují kolem kladně nabitého jádra. CharakterizovatV kovalentní vazbě budou významné elektrony umístěné na poslední energetické hladině a nejvzdálenější od jádra. Vzhledem k tomu, že jejich spojení se středem vlastního atomu je minimální, mohou být snadno přitahovány jádry jiných atomů. To je velmi důležité pro výskyt meziatomových interakcí vedoucích ke vzniku molekul. Proč je molekulární forma hlavním typem existence hmoty na naší planetě? Pojďme to zjistit.
Základní vlastnost atomů
Schopnost elektricky neutrálních částic interagovat, což vede k nárůstu energie, je jejich nejdůležitější vlastností. Za normálních podmínek je molekulární stav hmoty stabilnější než atomový stav. Hlavní ustanovení moderní atomové a molekulární teorie vysvětlují jak principy vzniku molekul, tak vlastnosti kovalentní vazby. Připomeňme, že vnější energetická hladina atomu může obsahovat 1 až 8 elektronů, v druhém případě bude vrstva kompletní, což znamená, že bude velmi stabilní. Atomy vzácných plynů mají takovou strukturu vnější úrovně: argon, krypton, xenon - inertní prvky, které dotvářejí každé období v systému D. I. Mendělejeva. Výjimkou je zde helium, které nemá v poslední úrovni 8, ale pouze 2 elektrony. Důvod je jednoduchý: v prvním období existují pouze dva prvky, jejichž atomy mají jedinou elektronovou vrstvu. Všechny ostatní chemické prvky mají od 1 do 7 elektronů na poslední, neúplné vrstvě. V procesu vzájemné interakce atomy budousnažit se zaplnit elektrony až do oktetu a obnovit konfiguraci atomu inertního prvku. Takového stavu lze dosáhnout dvěma způsoby: ztrátou vlastních nebo přijetím cizích záporně nabitých částic. Tyto formy interakce vysvětlují, jak určit, zda se mezi reagujícími atomy vytvoří iontová nebo kovalentní vazba.
Mechanismy pro vytvoření stabilní elektronické konfigurace
Představme si, že do reakce sloučeniny vstupují dvě jednoduché látky: kovový sodík a plynný chlór. Vzniká látka ze třídy solí - chlorid sodný. Má iontový typ chemické vazby. Proč a jak to vzniklo? Vraťme se znovu ke struktuře atomů výchozích látek. Sodík má pouze jeden elektron na poslední vrstvě, slabě vázaný k jádru kvůli velkému poloměru atomu. Ionizační energie všech alkalických kovů, mezi které patří sodík, je nízká. Proto elektron vnější hladiny opouští energetickou hladinu, je přitahován jádrem atomu chloru a zůstává v jeho prostoru. Vzniká tak precedens pro přechod atomu Cl do formy záporně nabitého iontu. Nyní již nemáme co do činění s elektricky neutrálními částicemi, ale s nabitými kationty sodíku a anionty chloru. V souladu s fyzikálními zákony mezi nimi vznikají elektrostatické přitažlivé síly a sloučenina tvoří iontovou krystalovou mřížku. Námi zvažovaný mechanismus tvorby iontového typu chemické vazby pomůže jasněji objasnit specifika a hlavní charakteristiky kovalentní vazby.
Sdílené elektronové páry
Pokud dojde k iontové vazbě mezi atomy prvků, které se velmi liší v elektronegativitě, tj. kovy a nekovy, pak se kovalentní typ objeví, když atomy stejných nebo různých nekovových prvků interagují. V prvním případě je obvyklé mluvit o nepolární a ve druhém o polární formě kovalentní vazby. Mechanismus jejich vzniku je společný: každý z atomů částečně dává elektrony pro běžné použití, které se spojují do párů. Ale prostorové uspořádání elektronových párů vzhledem k jádrům atomů bude jiné. Na tomto základě se rozlišují typy kovalentních vazeb - nepolární a polární. Nejčastěji se v chemických sloučeninách sestávajících z atomů nekovových prvků vyskytují páry skládající se z elektronů s opačnými spiny, tj. rotujícími kolem svých jader v opačných směrech. Vzhledem k tomu, že pohyb záporně nabitých částic v prostoru vede ke vzniku elektronových mraků, které nakonec končí jejich vzájemným překrýváním. Jaké jsou důsledky tohoto procesu pro atomy a k čemu to vede?
Fyzikální vlastnosti kovalentní vazby
Ukazuje se, že mezi centry dvou interagujících atomů je dvouelektronový mrak s vysokou hustotou. Elektrostatické přitažlivé síly mezi samotným záporně nabitým oblakem a jádry atomů se zvyšují. Část energie se uvolní a vzdálenosti mezi atomovými centry se zmenší. Například na začátku tvorby molekuly H2 vzdálenost mezi jádry atomů vodíkuje 1,06 A, po překrytí mraků a vytvoření společného elektronového páru - 0,74 A. Příklady kovalentní vazby vzniklé podle výše uvedeného mechanismu najdeme jak mezi jednoduchými, tak i složenými anorganickými látkami. Jeho hlavním rozlišovacím znakem je přítomnost společných elektronových párů. Výsledkem je, že po vzniku kovalentní vazby mezi atomy, například vodíkem, získá každý z nich elektronovou konfiguraci inertního helia a výsledná molekula má stabilní strukturu.
Prostorový tvar molekuly
Další velmi důležitou fyzikální vlastností kovalentní vazby je směrovost. Záleží na prostorové konfiguraci molekuly látky. Například, když se dva elektrony překrývají s kulovým oblakem, vzhled molekuly je lineární (chlorovodík nebo bromovodík). Tvar molekul vody, ve kterých se s- a p-oblaky hybridizují, je hranatý a velmi silné částice plynného dusíku vypadají jako pyramida.
Struktura jednoduchých látek - nekovy
Poté, co jsme zjistili, jaký druh vazby se nazývá kovalentní, jaké má znaky, je čas zabývat se jejími odrůdami. Pokud atomy stejného nekovu - chloru, dusíku, kyslíku, bromu atd., na sebe vzájemně působí, pak vznikají odpovídající jednoduché látky. Jejich společné elektronové páry jsou umístěny ve stejné vzdálenosti od středů atomů, bez posunutí. Pro sloučeniny s nepolárním typem kovalentní vazby jsou vlastní následující vlastnosti: nízké teploty varu atání, nerozpustnost ve vodě, dielektrické vlastnosti. Dále zjistíme, které látky se vyznačují kovalentní vazbou, při které dochází k posunu společných elektronových párů.
Elektronegativita a její vliv na typ chemické vazby
Vlastnost určitého prvku přitahovat elektrony z atomu jiného prvku v chemii se nazývá elektronegativita. Stupnici hodnot tohoto parametru, navrženou L. Paulingem, lze nalézt ve všech učebnicích anorganické a obecné chemie. Jeho nejvyšší hodnotu - 4,1 eV - má fluor, menší - ostatní aktivní nekovy a nejnižší ukazatel je typický pro alkalické kovy. Jestliže prvky lišící se svou elektronegativitou spolu reagují, pak nevyhnutelně jeden, aktivnější, přitáhne záporně nabité částice atomu pasivnějšího prvku ke svému jádru. Fyzikální vlastnosti kovalentní vazby tedy přímo závisí na schopnosti prvků darovat elektrony pro běžné použití. Výsledné společné páry již nejsou umístěny symetricky vzhledem k jádrům, ale jsou posunuty směrem k aktivnějšímu prvku.
Vlastnosti sloučenin s polární vazbou
Látky v molekulách, jejichž společné elektronové páry jsou asymetrické vzhledem k jádrům atomů, zahrnují halogenovodíky, kyseliny, sloučeniny chalkogenů s vodíkem a oxidy kyselin. Jsou to síranové a dusičnanové kyseliny, oxidy síry a fosforu, sirovodík atd. Například molekula chlorovodíku obsahuje jeden společný elektronový pár,tvořené nepárovými elektrony vodíku a chloru. Je posunut blíže ke středu atomu Cl, což je více elektronegativní prvek. Všechny látky s polární vazbou ve vodných roztocích disociují na ionty a vedou elektrický proud. Sloučeniny, které mají polární kovalentní vazbu, jejichž příklady jsme uvedli, mají také vyšší body tání a varu ve srovnání s jednoduchými nekovovými látkami.
Metody pro rozbití chemických vazeb
V organické chemii se substituční reakce nasycených uhlovodíků s halogeny řídí radikálním mechanismem. Směs metanu a chlóru na světle a za běžné teploty reaguje tak, že se molekuly chloru začnou štěpit na částice nesoucí nepárové elektrony. Jinými slovy, je pozorována destrukce společného elektronového páru a tvorba velmi aktivních radikálů -Cl. Jsou schopny ovlivnit molekuly metanu tak, že rozbijí kovalentní vazbu mezi atomy uhlíku a vodíku. Vznikne aktivní částice –H a volná valence atomu uhlíku převezme radikál chloru a chlormethan se stane prvním produktem reakce. Takový mechanismus štěpení molekul se nazývá homolytický. Pokud společný elektronový pár zcela přejde do vlastnictví jednoho z atomů, pak hovoří o heterolytickém mechanismu charakteristickém pro reakce probíhající ve vodných roztocích. V tomto případě polární molekuly vody zvýší rychlost destrukce chemických vazeb rozpuštěné sloučeniny.
Dvojitý a trojitýodkazy
Naprostá většina organických látek a některých anorganických sloučenin obsahuje ve svých molekulách ne jeden, ale několik společných elektronových párů. Mnohonásobnost kovalentní vazby snižuje vzdálenost mezi atomy a zvyšuje stabilitu sloučenin. Obvykle se označují jako chemicky odolné. Například v molekule dusíku jsou tři páry elektronů, ve strukturním vzorci jsou označeny třemi pomlčkami a určují její sílu. Jednoduchá látka dusík je chemicky inertní a může reagovat s jinými sloučeninami, jako je vodík, kyslík nebo kovy, pouze při zahřátí nebo při zvýšeném tlaku, stejně jako v přítomnosti katalyzátorů.
Dvojné a trojné vazby jsou vlastní třídám organických sloučenin, jako jsou nenasycené dienové uhlovodíky, stejně jako látky ethylenové nebo acetylenové řady. Vícenásobné vazby určují hlavní chemické vlastnosti: adiční a polymerizační reakce probíhající v bodech jejich přerušení.
V našem článku jsme uvedli obecný popis kovalentní vazby a zkoumali její hlavní typy.
