Zašto se atomi mogu kombinirati jedni s drugima kako bi formirali molekule? Koji je razlog mogućeg postojanja tvari, koje uključuju atome potpuno različitih kemijskih elemenata? To su globalna pitanja koja utječu na temeljne koncepte moderne fizikalne i kemijske znanosti. Na njih možete odgovoriti, imajući ideju o elektroničkoj strukturi atoma i poznavajući karakteristike kovalentne veze, koja je temeljna osnova za većinu klasa spojeva. Svrha našeg članka je upoznati se s mehanizmima stvaranja različitih vrsta kemijskih veza i značajkama svojstava spojeva koji ih sadrže u svojim molekulama.
Elektronska struktura atoma
Elektroneutralne čestice materije, koje su njezini strukturni elementi, imaju strukturu koja zrcali strukturu Sunčevog sustava. Kako se planeti okreću oko središnje zvijezde – Sunca, tako se i elektroni u atomu kreću oko pozitivno nabijene jezgre. Za karakterizacijuU kovalentnoj vezi bit će značajni elektroni koji se nalaze na posljednjoj energetskoj razini i najudaljeniji od jezgre. Budući da je njihova povezanost sa središtem vlastitog atoma minimalna, lako ih mogu privući jezgre drugih atoma. To je vrlo važno za pojavu međuatomskih interakcija koje dovode do stvaranja molekula. Zašto je molekularni oblik glavna vrsta postojanja materije na našem planetu? Hajde da saznamo.
Osnovno svojstvo atoma
Sposobnost električno neutralnih čestica da međusobno djeluju, što dovodi do povećanja energije, njihova je najvažnija značajka. Doista, u normalnim uvjetima, molekularno stanje tvari je stabilnije od atomskog stanja. Glavne odredbe moderne atomske i molekularne teorije objašnjavaju kako principe nastanka molekula, tako i karakteristike kovalentne veze. Podsjetimo da vanjska energetska razina atoma može sadržavati od 1 do 8 elektrona, u potonjem slučaju sloj će biti potpun, što znači da će biti vrlo stabilan. Atomi plemenitih plinova imaju takvu strukturu vanjske razine: argon, kripton, ksenon - inertni elementi koji dovršavaju svako razdoblje u sustavu D. I. Mendeljejeva. Iznimka je ovdje helij, koji u posljednjoj razini nema 8, već samo 2 elektrona. Razlog je jednostavan: u prvom razdoblju postoje samo dva elementa čiji atomi imaju jedan elektronski sloj. Svi ostali kemijski elementi imaju od 1 do 7 elektrona na posljednjem, nepotpunom sloju. U procesu međusobne interakcije, atomi ćenastojati biti ispunjeni elektronima do okteta i obnoviti konfiguraciju atoma inertnog elementa. Takvo stanje može se postići na dva načina: gubitkom vlastitih ili prihvaćanjem stranih negativno nabijenih čestica. Ovi oblici interakcije objašnjavaju kako odrediti hoće li se između atoma koji reagiraju stvoriti ionska ili kovalentna veza.
Mehanizmi za formiranje stabilne elektroničke konfiguracije
Zamislimo da u reakciju spoja ulaze dvije jednostavne tvari: metalni natrij i plinoviti klor. Nastaje tvar klase soli - natrijev klorid. Ima ionsku vrstu kemijske veze. Zašto i kako je do toga došlo? Vratimo se opet strukturi atoma početnih tvari. Natrij ima samo jedan elektron na zadnjem sloju, slabo vezan za jezgru zbog velikog radijusa atoma. Energija ionizacije svih alkalnih metala, uključujući natrij, je niska. Stoga elektron vanjske razine napušta energetsku razinu, privlači ga jezgra atoma klora i ostaje u svom prostoru. To stvara presedan za prijelaz Cl atoma u oblik negativno nabijenog iona. Sada više nemamo posla s električnim neutralnim česticama, već s nabijenim natrijevim kationima i anionima klora. U skladu sa zakonima fizike, između njih nastaju sile elektrostatičkog privlačenja, a spoj tvori ionsku kristalnu rešetku. Mehanizam stvaranja ionskog tipa kemijske veze koji smo mi razmatrali pomoći će da se jasnije razjasnimo specifičnosti i glavne karakteristike kovalentne veze.
Dijeljeni elektronski parovi
Ako se ionska veza dogodi između atoma elemenata koji su vrlo različiti u elektronegativnosti, tj. metala i nemetala, tada se kovalentni tip pojavljuje kada atomi istih ili različitih nemetalnih elemenata međusobno djeluju. U prvom slučaju uobičajeno je govoriti o nepolarnoj, a u drugom o polarnom obliku kovalentne veze. Mehanizam njihovog nastanka je zajednički: svaki od atoma djelomično daje elektrone za zajedničku upotrebu, koji su kombinirani u parovima. No, prostorni raspored elektronskih parova u odnosu na jezgre atoma bit će drugačiji. Na temelju toga razlikuju se vrste kovalentnih veza - nepolarne i polarne. Najčešće, u kemijskim spojevima koji se sastoje od atoma nemetalnih elemenata, postoje parovi koji se sastoje od elektrona s suprotnim spinovima, tj. koji rotiraju oko svojih jezgri u suprotnim smjerovima. Budući da kretanje negativno nabijenih čestica u prostoru dovodi do stvaranja oblaka elektrona, što u konačnici završava njihovim međusobnim preklapanjem. Koje su posljedice ovog procesa za atome i čemu on vodi?
Fizička svojstva kovalentne veze
Ispostavilo se da se između središta dvaju međusobno povezanih atoma nalazi oblak od dva elektrona visoke gustoće. Povećavaju se elektrostatičke sile privlačenja između samog negativno nabijenog oblaka i jezgri atoma. Dio energije se oslobađa i udaljenosti između atomskih središta se smanjuju. Na primjer, na početku formiranja molekule H2 udaljenost između jezgri atoma vodikaiznosi 1,06 A, nakon preklapanja oblaka i formiranja zajedničkog elektronskog para - 0,74 A. Primjeri kovalentne veze nastale prema gore navedenom mehanizmu mogu se naći i među jednostavnim i složenim anorganskim tvarima. Njegova glavna razlikovna značajka je prisutnost zajedničkih elektronskih parova. Kao rezultat toga, nakon pojave kovalentne veze između atoma, na primjer, vodika, svaki od njih poprima elektroničku konfiguraciju inertnog helija, a rezultirajuća molekula ima stabilnu strukturu.
Prostorni oblik molekule
Još jedno vrlo važno fizičko svojstvo kovalentne veze je usmjerenost. Ovisi o prostornoj konfiguraciji molekule tvari. Na primjer, kada se dva elektrona preklapaju sa sfernim oblakom, izgled molekule je linearan (klorovodik ili bromovodik). Oblik molekula vode, u kojem se hibridiziraju s- i p-oblaci, je kutan, a vrlo jake čestice plinovitog dušika izgledaju poput piramide.
Struktura jednostavnih supstanci - nemetali
Nakon što smo otkrili koja se vrsta veze naziva kovalentna, koje znakove ima, sada je vrijeme da se pozabavimo njezinim varijantama. Ako atomi istog nemetala - klora, dušika, kisika, broma itd. međusobno djeluju, tada nastaju odgovarajuće jednostavne tvari. Njihovi zajednički elektronski parovi nalaze se na istoj udaljenosti od središta atoma, bez pomaka. Za spojeve s nepolarnim tipom kovalentne veze, inherentne su sljedeće značajke: niske točke vrelišta italjenje, netopivost u vodi, dielektrična svojstva. Zatim ćemo saznati koje tvari karakterizira kovalentna veza, u kojoj dolazi do pomaka zajedničkih elektronskih parova.
Elektronegativnost i njezin utjecaj na vrstu kemijske veze
Svojstvo određenog elementa da privlači elektrone iz atoma drugog elementa u kemiji se naziva elektronegativnost. Ljestvica vrijednosti za ovaj parametar, koju je predložio L. Pauling, može se naći u svim udžbenicima iz anorganske i opće kemije. Najveću vrijednost - 4,1 eV - ima fluor, manju - ostali aktivni nemetali, a najniži pokazatelj je tipičan za alkalne metale. Ako elementi koji se razlikuju po svojoj elektronegativnosti međusobno reagiraju, tada će neizbježno jedan, aktivniji, privući negativno nabijene čestice atoma pasivnijeg elementa u svoju jezgru. Dakle, fizička svojstva kovalentne veze izravno ovise o sposobnosti elemenata da doniraju elektrone za uobičajenu upotrebu. Rezultirajući zajednički parovi više nisu smješteni simetrično u odnosu na jezgre, već su pomaknuti prema aktivnijem elementu.
Značajke spojeva s polarnom vezom
Tvari u molekulama čiji su zajednički elektronski parovi asimetrični u odnosu na jezgre atoma uključuju vodikove halogenide, kiseline, spojeve halkogena s vodikom i kisele okside. To su sulfatne i nitratne kiseline, oksidi sumpora i fosfora, sumporovodik itd. Na primjer, molekula klorovodika sadrži jedan zajednički elektronski par,nastao od nesparenih elektrona vodika i klora. Pomaknut je bliže središtu atoma Cl, koji je više elektronegativni element. Sve tvari s polarnom vezom u vodenim otopinama disociraju na ione i provode električnu struju. Spojevi koji imaju polarnu kovalentnu vezu, čije smo primjere naveli, također imaju višu točku taljenja i vrelišta u usporedbi s jednostavnim nemetalnim tvarima.
Metode za razbijanje kemijskih veza
U organskoj kemiji, reakcije supstitucije zasićenih ugljikovodika s halogenima slijede radikalni mehanizam. Mješavina metana i klora na svjetlu i na običnoj temperaturi reagira na način da se molekule klora počnu cijepati na čestice koje nose nesparene elektrone. Drugim riječima, opaža se uništavanje zajedničkog elektronskog para i stvaranje vrlo aktivnih radikala -Cl. Oni su u stanju utjecati na molekule metana na način da razbiju kovalentnu vezu između atoma ugljika i vodika. Nastaje aktivna čestica –H, a slobodna valencija atoma ugljika preuzima klorov radikal, a klorometan postaje prvi produkt reakcije. Takav mehanizam cijepanja molekula naziva se homolitički. Ako zajednički par elektrona potpuno pređe u posjed jednog od atoma, onda govore o heterolitičkom mehanizmu karakterističnom za reakcije koje se odvijaju u vodenim otopinama. U ovom slučaju, polarne molekule vode će povećati brzinu razaranja kemijskih veza otopljenog spoja.
Dvostruko i trostrukoveze
Velika većina organskih tvari i nekih anorganskih spojeva sadrži u svojim molekulama ne jedan, već nekoliko zajedničkih elektronskih parova. Višestrukost kovalentne veze smanjuje udaljenost između atoma i povećava stabilnost spojeva. Obično se nazivaju kemijski otpornim. Na primjer, u molekuli dušika postoje tri para elektrona, oni su u strukturnoj formuli označeni s tri crtice i određuju njegovu snagu. Jednostavna tvar dušik je kemijski inertna i može reagirati s drugim spojevima, kao što su vodik, kisik ili metali, samo kada se zagrije ili pod povišenim tlakom, kao i u prisutnosti katalizatora.
Dvostruke i trostruke veze svojstvene su takvim klasama organskih spojeva kao što su nezasićeni dienski ugljikovodici, kao i tvari serije etilena ili acetilena. Višestruke veze određuju glavna kemijska svojstva: reakcije adicije i polimerizacije koje se događaju na mjestima njihova prekida.
U našem članku dali smo opći opis kovalentne veze i ispitali njene glavne vrste.
