KEMIČNA VEZ: ZNAČILNOSTI, KAKO NASTAJAJO, VRSTE - KEMIJA - 2025

Kemijska vez je sila, ki upravlja držati skupaj atome, ki sestavljajo važno. Vsaka vrsta snovi ima značilno kemijsko vez, ki je sestavljena iz sodelovanja enega ali več elektronov. Tako se sile, ki vežejo atome v plinih, razlikujejo, na primer, od kovin.

Vsi elementi periodične tabele (razen helija in lahkih žlahtnih plinov) lahko med seboj tvorijo kemične vezi. Vendar pa je narava teh spremenjena glede na to, iz katerih elementov prihajajo elektroni, ki jih tvorijo. Bistveni parameter za razlago vrste vezi je elektronegativnost.

Vir: avtor Ymwang42 (pogovor). Ymwang42 na en.wikipedia, z Wikimedia Commons

Razlika v elektronegativnosti (ΔE) med dvema atomoma ne določa le vrste kemične vezi, temveč tudi fizikalno-kemijske lastnosti spojine. Za soli je značilno, da imajo ionske vezi (visok ΔE), številne organske spojine, kot je vitamin B ₁₂ (zgornja slika), pa imajo kovalentne vezi (nizke ΔE).

V višji molekularni strukturi vsaka od linij predstavlja kovalentno vez. Klini kažejo, da vez izhaja iz ravnine (proti bralcu), podčrtani pa za ravnino (stran od bralca). Upoštevajte, da obstajajo dvojne vezi (=) in atom kobalta, usklajen s petimi dušikovimi atomi in R stransko verigo.

Toda zakaj nastajajo takšne kemične vezi? Odgovor se skriva v energijski stabilnosti sodelujočih atomov in elektronov. Ta stabilnost mora uravnotežiti elektrostatične odbojnosti, ki jih povzročajo oblaki elektronov in jedra, in privlačnost, ki jo jedro izvaja na elektrone sosednjega atoma.

Opredelitev kemijske vezi

Številni avtorji so dali definicije kemijske vezi. Med njimi je bila najpomembnejša fizikokemičarka GN Lewis, ki je kemijsko vez opredelila kot udeležbo para elektronov med dvema atomoma. Če atoma A in B lahko prispevata en sam elektron, bo med njima nastala enojna vez A: B ali A - B.

Pred tvorbo vezi sta A in B ločena z nedoločeno razdaljo, ko pa se vežeta, je zdaj sila, ki ju drži skupaj v diatomski spojini AB in vezni razdalji (ali dolžini).

značilnosti

Vir: Gabriel Bolívar

Kakšne so značilnosti te sile, ki drži atome skupaj? Te so bolj odvisne od vrste povezave med A in B kot od njihovih elektronskih struktur. Na primer, povezava A - B je usmerjena. Kaj to pomeni? Da je sila, ki jo ima zveza para elektronov, lahko prikazana na osi (kot da je valj).

Tudi ta vez potrebuje energijo, da se prekine. Ta količina energije se lahko izrazi v enotah kJ / mol ali cal / mol. Ko dodamo dovolj energije na spojino AB (na primer s toploto), se bo ločila v prvotna A · in · B atoma.

Bolj ko je vez stabilna, več energije je potrebno za ločitev vezanih atomov.

Po drugi strani bi bila, če bi bila spojina v spojini AB ionska, A ⁺ B ^- , potem bi bila to nenamerna sila. Zakaj? Ker A ⁺ deluje privlačno silo na B ^- (in obratno), ki je bolj odvisna od razdalje, ki ločuje oba iona v prostoru, kot od njihove relativne lokacije.

To polje privlačnosti in odbojnosti združuje druge ione, da tvorijo tako imenovano kristalno rešetko (zgornja slika: A ⁺ kation leži obdan s štirimi B ^- anioni , ti pa so obdani s štirimi A ⁺ kationi itd.).

Kako nastajajo kemične vezi?

AA homonuklearne spojine

Vir: Gabriel Bolívar

Za par elektronov, ki tvorita vez, je treba najprej premisliti. Jedra, recimo tista iz A, imajo protone in so zato pozitivna. Ko sta dva atoma A zelo narazen, torej na veliki mednuklearni razdalji (zgornja slika), ne doživita nobene privlačnosti.

Ko se oba atoma A približata jedrom, privlači elektronski oblak sosednjega atoma (vijolični krog). To je sila privlačnosti (A na sosednjem vijoličnem krogu). Vendar se oba jedra A odbijata, ker sta pozitivna in ta sila poveča potencialno energijo vezi (navpična os).

Obstaja medjedrinska razdalja, v kateri potencialna energija doseže minimum; to pomeni, da sta privlačni in odbijajoči sili (dva atoma A v spodnjem delu slike) uravnoteženi.

Če se ta razdalja po tej točki zmanjša, bo vez povzročila, da se obe jedri zelo močno odbijata, destabilizira AA spojino.

Za nastanek vezi mora obstajati energetsko ustrezna mednuklearna razdalja; poleg tega pa se morajo atomske orbite pravilno prekrivati, da se elektroni vežejo.

Heteronuklearne spojine AB

Kaj če bi namesto dveh atomov A združili enega A in drugega B? V tem primeru bi se zgornji graf spremenil, ker bi imel eden od atomov več protonov kot drugi, oblaki elektronov pa bi imeli različne velikosti.

Ker se vez A - B tvori na ustrezni mednuklearni razdalji, bomo elektronski par našli predvsem v bližini najbolj elektronegativnega atoma. To velja za vse heteronuklearne kemične spojine, ki so velika večina tistih, ki so znane (in bodo znane).

Čeprav jih globinsko ne omenjamo, obstajajo številne spremenljivke, ki neposredno vplivajo na to, kako se atomi približajo in tvorijo kemične vezi; nekatere so termodinamične (ali je reakcija spontana?), elektronske (kako polne ali prazne so orbite atomov) in druge kinetične.

Vrste kemičnih vezi

Povezave imajo vrsto lastnosti, ki jih med seboj razlikujejo. Več njih je mogoče uvrstiti v tri glavne klasifikacije: kovalentno, ionsko ali kovinsko.

Čeprav obstajajo spojine, katerih vezi pripadajo eni vrsti, so mnoge dejansko sestavljene iz mešanice znakov vsakega. To dejstvo je posledica razlike v elektronegativnosti med atomi, ki tvorijo vezi. Tako so nekatere spojine lahko kovalentne, vendar imajo v svojih vezeh nekaj ionskega značaja.

Prav tako so vrsta vezi, struktura in molekularna masa ključni dejavniki, ki opredeljujejo makroskopske lastnosti snovi (svetlost, trdota, topnost, tališče itd.).

-Kovalentna vez

Kovalentne vezi so tiste, ki so bile pojasnjene do zdaj. V njih se morata dve orbitali (po en elektron v vsaki) prekrivati ​​z jedri, ločenima z ustrezno mednuklearno razdaljo.

V skladu s teorijo molekularne orbite (TOM), če je prekrivanje orbitala čelno, se tvori vez sigma σ (ki se imenuje tudi preprosta ali preprosta vez). Če so orbitale tvorjene s stranskimi in pravokotnimi prekrivanji glede na mednuklearno os, bomo imeli π vezi (dvojne in trojne):

Vir: Gabriel Bolívar

Preprosta povezava

Σ vez, kot je razvidno iz slike, je oblikovana vzdolž mednuklearne osi. Čeprav nista prikazana, imata A in B lahko tudi druge vezi in s tem svoje kemijsko okolje (različni deli molekularne strukture). Za to vrsto povezave je značilna rotacijska moč (zelen valj) in najmočnejša od vseh.

Na primer, enojna vez v vodikovi molekuli se lahko vrti okoli mednuklearne osi (H - H). Podobno lahko hipotetična molekula CA - AB.

Povezave C - A, A - A in A - B se vrtijo; če pa sta C ali B atoma ali skupina zajetih atomov, je rotacija A - A sternično ovirana (ker bi se C in B trčila).

Enojne vezi najdemo v praktično vseh molekulah. Njeni atomi imajo lahko kakršno koli kemično hibridizacijo, dokler je prekrivanje njihovih orbitalov čelno. Če se vrnemo na strukturo vitamina B ₁₂ , katera koli posamezna vrstica (-) označuje eno samo vez (na primer vezi –CONH ₂ ).

Dvojna povezava

Dvojna vezna zahteva atomi, da se (ponavadi) SP ² hibridiziran . Čista p vez, pravokotna na tri sp ² hibridne orbitale , tvori dvojno vez, ki je prikazana kot sivkast list.

Upoštevajte, da hkrati obstajata enojna vez (zelena jeklenka) in dvojna vez (siva plošča). Vendar pa za razliko od enojnih vezi dvojne vezi nimajo enake svobode vrtenja okoli medjedrne osi. To je zato, ker se mora povezava (ali folija) vrteti; postopek, ki potrebuje energijo.

Tudi vez A = B je bolj reaktivna kot A - B. Njegova dolžina je krajša, atoma A in B pa na krajši mednuklearni razdalji; zato je med obema jedrima večja odbojnost. Prekinitev enojne in dvojne vezi zahteva več energije, kot je potrebno za ločitev atomov v molekuli A - B.

V strukturi vitamina B ₁₂ lahko opazimo več dvojnih vezi: C = O, P = O in znotraj aromatičnih obročev.

Trojna vez

Trojna vez je celo krajša od dvojne in njeno vrtenje je bolj ovirano. V njem se tvorita dve π vezi, ki sta pravokotni drug na drugega (sivkasto in škrlatno listo), pa tudi enojna vez.

Običajno mora biti kemijska hibridizacija atomov A in B sp: dve sp orbitali narazen 180 ° in dve čisti p orbitali, pravokotni na prvo. Upoštevajte, da je trojna vez videti kot veslo, vendar brez rotacijske moči. Ta vez je lahko predstavljen le kot A≡B (N≡N, molekuli dušika N ₂ ).

Od vseh kovalentnih vezi je ta najbolj reaktivna; vendar hkrati tista, ki potrebuje več energije za popolno ločitev svojih atomov (· A: +: B ·). Če bi imel vitamin B ₁₂ trojno vez v molekularni strukturi, bi se njegov farmakološki učinek močno spremenil.

Šest elektronov sodeluje v trojnih vezih; v dvojicah, štirje elektroni; v preprostem ali preprostem pa dva.

Nastanek ene ali več teh kovalentnih vezi je odvisen od elektronske razpoložljivosti atomov; to pomeni, koliko elektronov potrebujejo svoje orbite, da pridobijo en oktet valencije.

Nepolarna vez

Kovalentna vez je sestavljena iz enake delitve para elektronov med dvema atomoma. Vendar to popolnoma drži le v primeru, ko imata oba atoma enake elektronegativnosti; to je enaka težnja po privlačenju elektronske gostote iz okolice v spojino.

Za nepolarne vezi je značilna ničelna razlika v elektronegativnosti (ΔE≈0). To se zgodi v dveh primerih: v homonuclear spojina (A ₂ ), ali če so kemične okolja na obeh straneh vezi ekvivalent (H ₃ C - CH ₃ , etan molekula).

Primeri nepolarnih vezi so razvidni iz naslednjih spojin:

Vodik (H - H)

-Kisik (O = O)

-Nigen (N≡N)

-Fluor (F - F)

-Kloro (Cl-Cl)

-Acetilen (HC≡CH)

Polarne vezi

Kadar obstaja izrazita razlika v elektronegativnosti ΔE med obema atomoma, se vzdolž osi vezi oblikuje dipolni moment: A ^{δ +} –B ^δ- . V primeru heteronuklearne spojine AB je B najbolj elektronegativni atom in ima zato večjo gostoto elektronov δ-; medtem ko ima A, najmanj elektronegativni, pomanjkljivost δ + naboja.

Da se pojavijo polarne vezi, se morata združiti dva atoma z različnimi elektronegativnostmi; in tako tvorijo heteronuklearne spojine. A - B spominja na magnet: ima pozitiven in negativni pol. To mu omogoča interakcijo z drugimi molekulami preko dipol-dipolnih sil, med katerimi so vodikove vezi.

Voda ima dve polarni kovalentni vezi, H - O - H, njena molekularna geometrija pa je kotna, kar poveča njen dipolni moment. Če bi bila njegova geometrija linearna, bi oceani izhlapeli in voda bi imela nižje vrelišče.

Dejstvo, da ima spojina polarne vezi , ne pomeni, da je polarno . Na primer, ogljikov tetraklorid, CCl ₄ , ima štiri polarne C-Cl vezi, vendar se zaradi njihovega tetraedrskega razporeda dipolni trenutek konča, ko je vektorsko razveljavljen.

Dative ali koordinacijske povezave

Ko atom odda par elektronov, da tvori kovalentno vez z drugim atomom, potem govorimo o dativni ali koordinacijski vezi. Na primer, če ima B: razpoložljivi par elektronov in A (ali A ⁺ ), elektronsko prosto mesto, se tvori vez B: A.

V strukturi vitamina B ₁₂ je pet atomov dušika povezano s kovinskim središčem Co s to vrsto kovalentne vezi. Ti dušiki oddajo svoj par prostih elektronov kationu Co ³⁺ , kovina pa se usklajuje z njimi (Co ³⁺ : N–)

Drug primer lahko najdemo v protonaciji molekule amoniaka, da nastane amoniak:

H ₃ N: + H ⁺ => NH ₄ ⁺

Upoštevajte, da v obeh primerih elektroni prispevajo atom dušika; zato se dativa ali koordinacijska kovalentna vez pojavi, ko atom samo prispeva par elektronov.

Na enak način je mogoče protonirati molekulo vode, da postane hidronijev (ali oksonijev) kation:

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

Za razliko od amonijev kation, oksonijevih ima vedno prost par elektronov (H ₃ O: ⁺ ); vendar je zelo težko sprejeti še en proton, ki tvori nestabilno hidronijevo dikacijo, H ₄ O ²⁺ .

-Jonska vez

Vir: Pixabay

Na sliki je bel hrib soli. Za soli je značilno, da imajo kristalne strukture, torej simetrične in urejene; visoke tališča in vrelišča, visoke električne prevodnosti pri taljenju ali raztapljanju, prav tako pa so njeni ioni močno vezani z elektrostatičnimi interakcijami.

Te interakcije tvorijo tako imenovano ionsko vez. Na drugi sliki je prikazan kation A ^+, obkrožen s štirimi B ^- anioni , vendar je to dvodimenzionalen prikaz. V treh dimenzijah naj bi imel A ⁺ druge B anione ^- pred in za ravnino, ki tvorijo različne strukture.

Tako ima lahko A ⁺ šest, osem ali celo dvanajst sosedov. Število sosedov, ki obkrožajo ion v kristalu, je znano kot koordinacijsko število (NC). Za vsako NC je povezan tip kristalne ureditve, ki posledično predstavlja trdno fazo soli.

Simetrični in fasetirani kristali, ki jih vidimo v soli, so posledica ravnotežja, ki ga vzpostavijo elektrostatične interakcije privlačnosti (A ⁺ B ^- ) in odbojnosti (A ⁺ A ⁺ , B ^- B ^- ).

Usposabljanje

Toda zakaj A + in B ^- ali Na ⁺ in Cl ^{- ne} tvorita kovalentnih vezi Na - Cl? Ker je atom klora veliko bolj elektronegativen kot natrijeva kovina, za katero je značilno tudi, da se zelo enostavno odreče svojim elektronom. Ko se ti elementi srečajo, reagirajo eksotermično, da nastane namizna sol:

2Na (s) + Cl ₂ (g) => 2NaCl (s)

Dva natrijeva atoma oddata svoj enojni valenčni elektron (Na ·) diatomski molekuli Cl ₂ in tako tvorita Cl ^- anione .

Interakcije med natrijevimi kationi in kloridnimi anioni, čeprav predstavljajo šibkejšo vez kot kovalentni, jih lahko močno združijo v trdno snov; in to dejstvo se odraža v visoki tališči soli (801ºC).

Kovinska vez

Vir: Pixnio

Zadnja od vrst kemijskih vezi je kovinska. To je mogoče najti na katerem koli delu kovine ali zlitine. Zanj je značilno, da je poseben in drugačen od drugih, ker elektroni ne prehajajo iz enega atoma na drugega, temveč potujejo, kot morje, skozi kristal kovin.

Tako kovinski atomi, recimo baker, medsebojno mešajo svoje valenčne orbitale in tvorijo prevodne pasove; skozi katere elektroni (s, p, dof) prehajajo okoli atomov in jih tesno držijo skupaj.

Glede na število elektronov, ki prehajajo skozi kovinski kristal, orbite, ki so predvidene za pasove, in pakiranje njegovih atomov, je kovina lahko mehka (kot alkalne kovine), trda, sijoča ​​ali dober prevodnik električne energije in vroče.

Sila, ki združuje atome kovin, na primer tiste, ki sestavljajo malega človeka na sliki in njegov prenosnik, je večja od sile soli.

To je mogoče eksperimentalno preveriti, ker lahko kristale soli pred mehansko silo razdelimo na več polovic; ker se kovinski del (sestavljen iz zelo majhnih kristalov) deformira.

Primeri povezav

Naslednje štiri spojine obsegajo pojasnjene vrste kemičnih vezi:

-Natrijev fluorid, NaF (Na ⁺ F ^- ): ionski.

-Nodium, Na: kovinski.

Fluor, F ₂ (F - F): nepolarna kovalentna, zaradi dejstva, da je ničen AE med obema atomoma, ker so enaki.

-V vodikov fluorid, HF (H-F): polarni kovalent, saj je v tej spojini fluor bolj elektronegativen od vodika.

Obstajajo spojine, kot je vitamin B ₁₂ , ki imajo polarno in ionsko kovalentno vez (v negativnem naboju svoje fosfatne skupine –PO ₄ ^- -). V nekaterih zapletenih strukturah, kot so kovinske gruče, lahko vse te vrste povezav soobstajajo.

Materija v vseh svojih manifestacijah ponuja primere kemičnih vezi. Od kamna na dnu ribnika in vode, ki ga obdaja, do krastač, ki se vijejo ob njegovih robovih.

Čeprav so vezi lahko preproste, število in prostorska razporeditev atomov v molekularni strukturi omogočata bogato raznolikost spojin.

Pomen kemične vezi

Kakšen pomen ima kemijska vez? Nepopisno število posledic, ki bi jih povzročila odsotnost kemične vezi, kaže na njen velik pomen v naravi:

- Brez tega barve ne bi obstajale, saj njeni elektroni ne bi absorbirali elektromagnetnega sevanja. Delci prahu in ledu, prisotni v atmosferi, bi izginili, zato bi modra barva neba postala temna.

-Karbon ne bi mogel tvoriti svojih neskončnih verig, iz katerih izhajajo milijarde organskih in bioloških spojin.

- Proteinov sploh ne bi mogli opredeliti v sestavnih aminokislinah. Sladkorji in maščobe bi izginili, kot vse ogljikove spojine v živih organizmih.

- Zemlja ne bi imela ozračja, ker če ne bi bilo kemičnih vezi v njenih plinih, ne bi bilo sile, da bi jih združila. Prav tako med njimi ne bi prišlo do najmanjšega medmolekularnega medsebojnega delovanja.

-Godniki lahko izginejo, ker njihove kamnine in minerali, čeprav težki, ne bi mogli vsebovati svojih atomov, ki so bili zbrani znotraj njihovih kristalnih ali amorfnih struktur.

- Svet bi sestavljali samotni atomi, ki ne bi mogli tvoriti trdnih ali tekočih snovi. To bi povzročilo tudi izginotje vsake preobrazbe materije; to pomeni, da kemične reakcije ne bi bilo. Samo bežni plini povsod.

Reference

1. Harry B. Grey. (1965). Elektroni in kemično vezanje. WA BENJAMIN, INC. P 36–39.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 233, 251, 278, 279.
3. Nave R. (2016). Kemično vezanje Pridobljeno: hiperfizika.fi-astr.gsu.edu
4. Vrste kemijskih vezi. (3. oktober 2006). Vzeto iz: dwb4.unl.edu
5. Oblikovanje kemičnih vezi: Vloga elektronov. . Pridobljeno iz: cod.edu
6. Fundacija CK-12. (sf). Oblikovanje energije in kovalentne vezi. Pridobljeno: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Koordinatna ali dativna kovalentna vez. Pridobljeno: quimitube.com