Визначення хімічних зв'язків, характеристики, як вони формуються, типи

The хімічний зв'язок це сила, яка вдається зберегти атоми, які складають речовину, разом. Кожен тип речовини має характерний хімічний зв'язок, що складається з участі одного або більше електронів. Таким чином, сили, які приєднуються до атомів у газах, відрізняються, наприклад, від металів.

Всі елементи періодичної таблиці (за винятком гелію і легких благородних газів) можуть утворювати хімічні зв'язки один з одним. Проте, природа їх модифікується залежно від того, які елементи походять від електронів, що їх утворюють. Істотним параметром для пояснення типу зв'язків є електронегативність.

Різниця в електронегативності (ΔE) між двома атомами визначає не тільки тип хімічного зв'язку, але і фізико-хімічні властивості сполуки. Солі характеризуються наявністю іонних зв'язків (високий ΔE) і багатьох органічних сполук, таких як вітамін B₁₂ (верхнє зображення), ковалентні зв'язки (низька ΔE).

У верхній молекулярній структурі кожна з ліній являє собою ковалентную зв'язок. Кліни вказують на те, що зв'язок виходить з площини (у бік читача), а ті, що підкреслені з площини (від читача). Зауважимо, що існують подвійні зв'язки (=) і атом кобальту координовано з п'ятьма атомами азоту і бічною ланцюгом R.

Але чому формуються такі хімічні зв'язки? Відповідь полягає в енергетичній стабільності атомів і електронів, що беруть участь. Ця стійкість повинна врівноважувати електростатичні відштовхування, що виникають між електронними хмарами і ядрами, і притягання ядра на електрони сусіднього атома.

Індекс

• 1 Визначення хімічного зв'язку
• 2 Характеристики
• 3 Як вони формуються
  • 3.1 Гомонуклеарні сполуки A-A
  • 3.2 Гетероядерні сполуки A-B
• 4 типи
  • 4.1 - Ковалентное ланка
  • 4.2 - Іонний зв'язок
  • 4.3 Металеві ланки
• 5 Приклади
• 6 Важливість хімічного зв'язку
• 7 Посилання

Визначення хімічного зв'язку

Багато авторів дали визначення хімічного зв'язку. З усіх них найважливішим був фізико-хімічний Г. Н. Льюїс, який визначив хімічний зв'язок як участь пари електронів між двома атомами. Якщо атоми A · і · B можуть забезпечити один електрон, то між ними буде утворено просте ланка A: B або A-B.

Перед утворенням ланки, як A, так і B розділені невизначеною відстанню, але при зв'язуванні тепер існує сила, яка утримує їх разом у двоатомному з'єднанні AB і відстані (або довжині) зв'язку.

Особливості

Які характеристики має ця сила, яка утримує атоми разом? Вони більше залежать від типу зв'язку між А і В, ніж від їхніх електронних структур. Наприклад, посилання A-B є спрямованим. Що ви маєте на увазі? Те, що сила об'єднання пари електронів може бути представлена ​​на осі (як би циліндр).

Аналогічно, це посилання вимагає розриву енергії. Така кількість енергії може бути виражена в одиницях kJ / моль або кал / моль. Як тільки достатньо енергії було застосовано до сполуки АВ (наприклад, за допомогою тепла), воно буде дисоціювати на вихідні атоми A · і · B.

Чим більш стабільним є зв'язок, тим більша кількість енергії, необхідної для відділення об'єднаних атомів.

З іншого боку, якщо зв'язок в сполуці АВ була іонна, то А⁺B^-, тоді це буде ненаправленою силою. Чому? Тому що A⁺ надає привабливу силу на B^- (і навпаки), що більше залежить від відстані, що відокремлює обидва іони в просторі, ніж від відносного розташування їх.

Це поле притягання та відштовхування збирає інші іони, щоб сформувати те, що відоме як кристалічна решітка (верхнє зображення: катіон A).⁺ лежить в оточенні чотирьох аніонів B^-, і ці чотири катіони A⁺ і так далі).

Як вони формуються

Гомонуклеарні сполуки A-A

Для пари електронів, які утворюють зв'язок, існує багато аспектів, які необхідно розглядати в першу чергу. Ядра, тобто ті А, мають протони і тому є позитивними. Коли два атоми А знаходяться далеко один від одного, тобто на великій міжядерній відстані (верхнє зображення), вони не відчувають жодної привабливості.

Коли вони наближаються до двох атомів А, їх ядра притягують електронну хмару сусіднього атома (пурпурне коло). Це приваблива сила (А над сусіднім фіолетовим колом). Однак два ядра A відштовхуються, будучи позитивними, і ця сила збільшує потенційну енергію зв'язку (вертикальна вісь).

Існує міжядерна відстань, в якій потенційна енергія досягає мінімуму; тобто притягальна сила і сила відштовхування врівноважені (два атоми А в нижній частині зображення).

Якщо ця відстань зменшується після цієї точки, то зв'язок змусить два ядра дуже сильно відбиватися, дестабілізуючи з'єднання A-A.

Отже, для того, щоб ланка, що формується, повинна бути енергетично адекватна міжядерна відстань; крім того, атомні орбіталі повинні правильно перекриватися, щоб пов'язати електрони.

Гетероядерні сполуки A-B

Що робити, якщо замість двох атомів А приєднатися до одного з А і іншого В? У такому випадку верхній графік змінюється, оскільки один з атомів буде мати більше протонів, ніж інші, а електронні хмари різних розмірів.

Коли зв'язок A-B формується на належному міжядерному відстані, пара електронів буде знайдена в основному в околі найбільш електронегативного атома. Це відбувається з усіма гетероядерними хімічними сполуками, які складають переважну більшість тих, які відомі (і будуть відомі).

Хоча в глибині не згадується, існують численні змінні, які безпосередньо впливають на те, як наближаються атоми, і утворюються хімічні зв'язки; деякі є термодинамічними (чи є реакція спонтанною?), електронною (наскільки повною чи порожньою є орбіталі атомів) та іншою кінетикою.

Типи

Посилання представляють ряд характеристик, які відрізняють їх один від одного. Деякі з них можуть бути оформлені в трьох основних класифікаціях: ковалентних, іонних або металевих.

Хоча існують сполуки, ланки яких належать до одного типу, багато насправді складаються з суміші символів кожного. Цей факт обумовлений різницею в електронегативності між атомами, що утворюють зв'язки. Таким чином, деякі сполуки можуть бути ковалентними, але присутні в їх зв'язках певний іонний характер.

Також тип зв'язку, структура і молекулярна маса є ключовими факторами, що визначають макроскопічні властивості матеріалу (яскравість, твердість, розчинність, температура плавлення тощо)..

-Ковалентний зв'язок

Ковалентними зв'язками є ті, які були описані до цих пір. У них дві орбіталі (один електрон у кожній) повинні перетинатися з відокремленими ядрами на відповідній міжядерній відстані.

Згідно з теорією молекулярної орбіталі (TOM), якщо перекриття орбіталей є лобовим, буде сформована сигма σ-зв'язок (яка також називається простою або простою ланкою). Якщо орбіталі утворюються латеральними та перпендикулярними перекриттями по відношенню до міжвузлової осі, то π (подвійні та потрійні) зв'язки будуть присутні:

Проста посилання

Зв'язок σ, як видно на зображенні, формується вздовж міжядерної осі. Хоча це не показано, А і В можуть мати інші зв'язки, а отже, і власні хімічні середовища (різні частини молекулярної структури). Цей тип зв'язку характеризується потужністю обертання (зеленим циліндром) і найсильнішим з усіх.

Наприклад, простий зв'язок молекули водню може обертатися на міжядерній осі (H-H). Таким же чином гіпотетична молекула CA-AB може це зробити.

З'єднання C-A, A-A і A-B обертаються; але якщо C або B є атомами або групою великих атомів, то обертання A-A стерично утруднено (оскільки C і B руйнують).

Прості зв'язки виявляються практично у всіх молекулах. Їх атоми можуть мати будь-яку хімічну гібридизацію, поки перекриття їх орбіталей є лобовим. Повертаючись до структури вітаміну В₁₂, будь-яка одна лінія (-) вказує на одне посилання (наприклад, -CONH посилання₂).

Подвійне посилання

Подвійний зв'язок вимагає, щоб атоми мали (як правило) sp-гібридизацію². Чистий p зв'язок, перпендикулярний трьом sp гібридним орбіталям², утворює подвійний зв'язок, який показаний як сіруватий лист.

Зауважте, що одночасно існують як одинарне посилання (зелений циліндр), так і подвійна ланка (сірий лист). Однак, на відміну від простих ланок, подвійні не мають однакової свободи обертання навколо міжвузлової осі. Це відбувається тому, що для повороту посилання (або лист) має бути розірвано; процес, який потребує енергії.

Крім того, зв'язок A = B є більш реактивним, ніж A-B. Довжина цієї є меншою, а атоми А і В - меншою міжядерною відстанню; отже, існує більша відштовхування між обома ядрами. Розрив обох ланок, одинарних і подвійних, вимагає більшої енергії, ніж потрібно для розділення атомів в молекулі А-В.

У структурі вітаміну В₁₂ можна спостерігати кілька подвійних зв'язків: C = O, P = O і всередині ароматичних кілець.

Потрійне посилання

Потрійний зв'язок ще коротший, ніж подвійний зв'язок, і її обертання більш енергетично погіршене. У ньому формуються дві перпендикулярні π-ланки (сірі та фіолетові аркуші), а також просте посилання.

Як правило, хімічна гібридизація атомів A і B повинна бути sp: дві sp-орбіталі, розділені на 180 °, і дві чисті p-орбіталі, перпендикулярні до першої. Зауважимо, що потрійний зв'язок нагадує палітру, але без потужності обертання. Цю зв'язок можна просто представити у вигляді A (B (молекули N ,N, N-азоту₂).

З усіх ковалентних зв'язків це найбільш реакційноздатні; але в той же час, той, що потребує більше енергії для повного відділення своїх атомів (· A: +: B ·). Якщо вітамін В₁₂ мав потрійний зв'язок у своїй молекулярній структурі, його фармакологічний ефект сильно змінився.

У потрійних зв'язках беруть участь шість електронів; в парному - чотири електрони; а в простому або простому, два.

Утворення однієї або декількох з цих ковалентних зв'язків залежить від електронної доступності атомів; тобто, скільки електронів потребують своїх орбіталей для отримання валентного октету.

Неполярне посилання

Ковалентний зв'язок складається з рівномірного розподілу пари електронів між двома атомами. Але це справедливо лише в тому випадку, коли обидва атома мають рівні електронегативності; тобто, однакова тенденція до залучення електронної щільності її середовища всередині сполуки.

Неполярні зв'язки характеризуються різницею нульової електронегативності (ΔE≈0). Це відбувається в двох ситуаціях: в гомоядерном з'єднанні (A₂), або якщо хімічні середовища з будь-якої сторони ланки є еквівалентними (H₃С-СН₃, молекула етану).

Приклади неполярних зв'язків розглядаються в наступних сполуках:

-Водень (H-H)

-Кисень (O = O)

-Азот (N≡N)

-Фтор (F-F)

-Хлор (Cl-Cl)

-Ацетилен (HC≡CH)

Полярні посилання

Коли є помітна різниця в електронегативності ΔE між обома атомами, то по осі ланки формується дипольний момент: A^δ+-B^δ-. У випадку гетероядерної сполуки АВ, B є найбільш електронегативним атомом і, отже, має найбільшу електронну щільність δ-; при цьому А, найменш електронегативний, дефіцит навантаження δ+.

Для виникнення полярних зв'язків необхідно об'єднати два атоми з різними електронегативадами; і, таким чином, утворюють гетероядерні сполуки. A-B нагадує магніт: він має позитивний полюс і негативний полюс. Це дозволяє йому взаємодіяти з іншими молекулами через диполь-дипольні сили, серед яких є водневі зв'язки.

Вода має дві полярні ковалентні зв'язки, H-O-H, і його молекулярна геометрія кутова, що збільшує її дипольний момент. Якщо його геометрія була лінійною, то океани випарувалися, а вода мала б нижчу температуру кипіння.

Той факт, що з'єднання має полярні зв'язки, це не означає, що воно є полярним. Наприклад, чотирихлористий вуглець, CCl₄, має чотири полярних зв'язків C-Cl, але за допомогою тетраедричної їх розташування дипольний момент закінчується векторно.

Dative або координаційні зв'язки

Коли атом утворюється пара електронів для формування ковалентного зв'язку з іншим атомом, ми говоримо про зв'язок даті або координації. Наприклад, наявність B: наявна пара електронів і A (або A)⁺), формується електронна вакансія, посилання B: A.

У структурі вітаміну В₁₂ п'ять атомів азоту приєднані до металевого центру Co цим типом ковалентного зв'язку. Ці азоти дають свою пару вільних електронів катиону Co³⁺, координація металу з ними (Co³⁺: N-)

Інший приклад можна знайти в протонировании молекули аміаку з утворенням амонію:

H₃N: + H⁺ => NH₄⁺

Зауважимо, що в обох випадках атом азоту вносить електрони; отже, ковалентна датіонная або координаційна зв'язок виникає тоді, коли один атом вносить пару електронів.

Аналогічно, молекула води може бути протонирована для перетворення в катіон гідроніуму (або оксонію):

H₂O + H⁺ => H₃O⁺

На відміну від катіона амонію, гідроніум все ще має вільну пару електронів (H₃O:⁺); однак дуже важко прийняти інший протон для утворення нестійкого гідроніуму дигідрогену, Н₄O²⁺.

-Іонний зв'язок

На зображенні зображено білий пагорб солі. Солі характеризуються наявністю кристалічних структур, тобто симетричними і впорядкованими; високі температури плавлення і кипіння, високі електропровідності при плавленні або розчиненні, а також їхні іони сильно пов'язані електростатичними взаємодіями.

Ці взаємодії складають те, що відомо як іонний зв'язок. На другому зображенні показаний катіон А⁺ оточений чотирма аніонами B^-, але це 2D-представлення. У трьох вимірах A⁺ повинні мати інші аніони B^- вперед і за площиною, утворюючи різні структури.

Отже, A⁺ вона може мати шість, вісім або навіть дванадцять сусідів. Число сусідів, що оточують іон в кристалі, відоме як координаційне число (НС). Для кожного N.C пов'язаний тип кристалічної композиції, який у свою чергу являє собою тверду фазу солі.

Симетричні та грановані кристали, що спостерігаються в солях, обумовлені рівновагою, встановленою взаємодіями притягання (A).⁺ B^-) і відштовхування (A⁺ A⁺, B^- B^-електростатичний).

Навчання

Але, чому A + і B^-, або Na⁺ і Cl^-, не утворюють Na-Cl ковалентні зв'язки? Оскільки атом хлору є набагато більш електронегативний, ніж метал натрію, який також характеризується дуже легкою відмовою від електронів. Коли ці елементи знайдені, вони реагують екзотермічно, виробляючи кухонну сіль:

2Na (s) + Cl₂(g) => 2NaCl (s)

Два атоми натрію виводять свій унікальний валентний електрон (Na ·) до двоатомної молекули Cl₂, для утворення аніонів Cl^-.

Взаємодії між катіонами натрію і хлоридними аніонами, хоча вони являють собою слабкі зв'язки, ніж ковалентні, здатні утримувати їх в сильній зв'язці в твердому тілі; і цей факт відображається у високій температурі плавлення солі (801ºC).

Металеві ланки

Останній з видів хімічного зв'язку є металевим. Її можна знайти на будь-якому металевому або сплавному виробі. Він характеризується тим, що він особливий і відрізняється від інших, тому що електрони не переходять від одного атома до іншого, але вони подорожують, як море, кристал металів..

Таким чином, металеві атоми, скажімо, мідь, змішують свої валентні орбіталі один з одним, утворюючи смуги провідності; при цьому електрони (s, p, d або f) проходять навколо атомів і тримають їх щільно пов'язаними.

Залежно від кількості електронів, що проходять через металевий кристал, орбіталей для смуг і упаковки їх атомів, метал може бути м'яким (наприклад, лужними металами), твердим, яскравим або хорошим провідником електрики і тепло.

Сила, яка утримує разом атоми металів, таких як ті, що складають маленьку людину на зображенні та його ноутбуці, перевершує таку, що й у солей.

Це можна перевірити експериментально, оскільки кристали солей можуть розщеплюватися на кілька половин перед механічною силою; в той час як металевий шматок (складається з дуже дрібних кристалів) деформується.

Приклади

Наступні чотири сполуки охоплюють типи хімічних зв'язків:

-Фторид натрію, NaF (Na⁺F^-): іонні.

-Натрій, Na: металевий.

-Фтор, F₂ (F-F): неполярний ковалентний, оскільки між обома атомами існує ΔE, оскільки вони ідентичні.

-Фтористий водень, HF (H-F): полярний ковалентний, оскільки в цьому з'єднанні фтор є більш електронегативним, ніж водень.

Є сполуки, такі як вітамін В₁₂, який володіє як полярними, так і іонними ковалентними зв'язками (в негативному заряді його фосфатної групи -PO₄^--). У деяких складних структурах, таких як металеві кластери, всі ці типи зв'язків можуть співіснувати.

Матерія пропонує приклади хімічних зв'язків у всіх її проявах. Від каменю на дні ставка і води, що його оточує, до жаб, які крапають по її краях.

Хоча ланки можуть бути простими, кількість і просторове розташування атомів в молекулярній структурі відкривають шлях до багатого різноманіття сполук.

Важливість хімічного зв'язку

Яке значення має хімічний зв'язок? Незліченна кількість наслідків, які призведуть до відсутності хімічного зв'язку, підкреслює його величезне значення в природі:

-Без нього кольорів не було б, тому що їхні електрони не поглинали б електромагнітне випромінювання. Частинки пилу та льоду, що присутні в атмосфері, зникнуть, і тому синій колір неба стане темним.

-Вуглець не може утворити свої нескінченні ланцюги, з яких виводяться трильйони органічних і біологічних сполук.

-Білки навіть не можуть бути визначені в складових їх амінокислотах. Зникнуть цукри і жири, а також будь-які вуглецеві сполуки в живих організмах.

-Земля вичерпала б атмосферу, тому що за відсутності хімічних зв'язків у газах не було б сили утримувати їх разом. Не буде й найменшого міжмолекулярного взаємодії між ними.

-Гори можуть зникнути, тому що їхні породи і мінерали, хоча і важкі, не можуть містити свої атоми, упаковані в їх кристалічні або аморфні структури.

-Світ буде утворений окремими атомами, які не можуть утворити тверді або рідкі речовини. Це також призведе до зникнення всієї трансформації матерії; тобто, не було б ніякої хімічної реакції. Тільки швидкоплинні гази скрізь.

Список літератури

1. Гаррі Б. Грей. (1965). Електрони і хімічне склеювання. W.A. BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Уіттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія (8-е изд.). CENGAGE Learning, стор 233, 251, 278, 279.
3. Корабель Р. (2016). Хімічне зв'язування. Отримано з: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Типи хімічних зв'язків. (3 жовтня 2006 року). Взяті з: dwb4.unl.edu
5. Формування хімічних зв'язків: роль електронів. [PDF] Отримано з: cod.edu
6. Фонд СК-12. (s.f.). Формування енергії та ковалентного зв'язку. Отримано з: chem.libretexts.org
7. Quimitube (2012). Ковалентную зв'язок координують або датують. Отримано з: quimitube.com