Zašto se atomi mogu kombinovati jedni s drugima kako bi formirali molekule? Koji je razlog mogućeg postojanja supstanci, koje uključuju atome potpuno različitih hemijskih elemenata? Ovo su globalna pitanja koja utiču na fundamentalne koncepte moderne fizičke i hemijske nauke. Na njih možete odgovoriti, imajući ideju o elektronskoj strukturi atoma i poznavajući karakteristike kovalentne veze, koja je osnovna osnova za većinu klasa spojeva. Svrha našeg članka je da se upoznamo sa mehanizmima stvaranja različitih vrsta hemijskih veza i karakteristikama svojstava jedinjenja koja ih sadrže u svojim molekulima.
Elektronska struktura atoma
Elektroneutralne čestice materije, koje su njeni strukturni elementi, imaju strukturu koja odražava strukturu Sunčevog sistema. Kako se planete okreću oko centralne zvijezde - Sunca, tako se i elektroni u atomu kreću oko pozitivno nabijenog jezgra. Za karakterizacijuU kovalentnoj vezi, elektroni koji se nalaze na posljednjem energetskom nivou i najudaljeniji od jezgra bit će značajni. Budući da je njihova veza sa centrom vlastitog atoma minimalna, lako ih privlače jezgra drugih atoma. Ovo je vrlo važno za pojavu međuatomskih interakcija koje dovode do stvaranja molekula. Zašto je molekularni oblik glavna vrsta postojanja materije na našoj planeti? Hajde da saznamo.
Osnovno svojstvo atoma
Sposobnost električno neutralnih čestica da interaguju, što dovodi do povećanja energije, njihova je najvažnija karakteristika. Zaista, u normalnim uslovima, molekularno stanje materije je stabilnije od atomskog stanja. Glavne odredbe moderne atomske i molekularne teorije objašnjavaju kako principe formiranja molekula, tako i karakteristike kovalentne veze. Podsjetimo da vanjski energetski nivo atoma može sadržavati od 1 do 8 elektrona, u posljednjem slučaju sloj će biti potpun, što znači da će biti vrlo stabilan. Atomi plemenitih gasova imaju strukturu spoljašnjeg nivoa: argon, kripton, ksenon - inertni elementi koji dovršavaju svaki period u sistemu D. I. Mendeljejeva. Izuzetak je ovdje helijum, koji nema 8, već samo 2 elektrona na posljednjem nivou. Razlog je jednostavan: u prvom periodu postoje samo dva elementa čiji atomi imaju jedan elektronski sloj. Svi ostali hemijski elementi imaju od 1 do 7 elektrona na poslednjem, nekompletnom sloju. U procesu međusobne interakcije, atomi ćenastoje da budu ispunjeni elektronima do okteta i povrate konfiguraciju atoma inertnog elementa. Takvo stanje se može postići na dva načina: gubitkom svojih ili prihvatanjem stranih negativno nabijenih čestica. Ovi oblici interakcije objašnjavaju kako odrediti da li će se između atoma koji reaguju stvoriti jonska ili kovalentna veza.
Mehanizmi za formiranje stabilne elektronske konfiguracije
Zamislimo da u reakciju spoja ulaze dvije jednostavne supstance: metalni natrijum i gasoviti hlor. Nastaje tvar klase soli - natrijum hlorid. Ima ionsku vrstu hemijske veze. Zašto i kako je do toga došlo? Vratimo se ponovo strukturi atoma početnih supstanci. Natrijum ima samo jedan elektron na poslednjem sloju, slabo vezan za jezgro zbog velikog radijusa atoma. Energija jonizacije svih alkalnih metala, uključujući natrijum, je niska. Stoga, elektron vanjskog nivoa napušta energetski nivo, privlači jezgro atoma hlora i ostaje u njegovom prostoru. Ovo stvara presedan za prelazak atoma Cl u oblik negativno nabijenog jona. Sada više nemamo posla s električnim neutralnim česticama, već s nabijenim kationima natrijuma i anionima klora. U skladu sa zakonima fizike, između njih nastaju sile elektrostatičke privlačnosti, a spoj formira ionsku kristalnu rešetku. Mehanizam formiranja ionskog tipa hemijske veze koji smo mi razmatrali pomoći će da se jasnije razjasne specifičnosti i glavne karakteristike kovalentne veze.
Dijeljeni elektronski parovi
Ako se jonska veza javlja između atoma elemenata koji su veoma različiti po elektronegativnosti, tj. metala i nemetala, tada se kovalentni tip pojavljuje kada atomi istih ili različitih nemetalnih elemenata interaguju. U prvom slučaju uobičajeno je govoriti o nepolarnoj, au drugom o polarnom obliku kovalentne veze. Mehanizam njihovog formiranja je zajednički: svaki od atoma djelomično daje elektrone za zajedničku upotrebu, koji su kombinirani u parovima. Ali prostorni raspored elektronskih parova u odnosu na jezgra atoma bit će drugačiji. Na osnovu 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 sa suprotnim spinovima, tj. koji rotiraju oko svojih jezgara u suprotnim smjerovima. Budući da kretanje negativno nabijenih čestica u svemiru dovodi do stvaranja elektronskih oblaka, što se u konačnici završava njihovim međusobnim preklapanjem. Koje su posljedice ovog procesa za atome i čemu on vodi?
Fizička svojstva kovalentne veze
Ispostavilo se da između centara dva atoma u interakciji postoji oblak od dva elektrona velike gustine. Povećavaju se elektrostatičke sile privlačenja između samog negativno nabijenog oblaka i jezgri atoma. Dio energije se oslobađa i udaljenosti između atomskih centara se smanjuju. Na primjer, na početku formiranja molekule H2 udaljenost između jezgara atoma vodikaiznosi 1,06 A, nakon preklapanja oblaka i formiranja zajedničkog elektronskog para - 0,74 A. Primjeri kovalentne veze formirane prema gore navedenom mehanizmu mogu se naći i među jednostavnim i složenim neorganskim supstancama. Njegova glavna karakteristika je prisustvo zajedničkih elektronskih parova. Kao rezultat toga, nakon pojave kovalentne veze između atoma, na primjer, vodonika, svaki od njih poprima elektronsku konfiguraciju inertnog helijuma, a rezultirajući molekul ima stabilnu strukturu.
Prostorni oblik molekula
Još jedno vrlo važno fizičko svojstvo kovalentne veze je usmjerenost. Zavisi od prostorne konfiguracije molekula supstance. Na primjer, kada se dva elektrona preklapaju sa sferičnim oblakom, izgled molekule je linearan (klorovodik ili bromovodik). Oblik molekula vode, u kojem se hibridiziraju s- i p-oblaci, je ugaonog oblika, a vrlo jake čestice plinovitog dušika izgledaju kao piramida.
Struktura jednostavnih supstanci - nemetali
Nakon što smo saznali koja se vrsta veze zove kovalentna, koje znakove ima, sada je vrijeme da se pozabavimo njenim 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 centara atoma, bez pomjeranja. Za jedinjenja sa nepolarnim tipom kovalentne veze, inherentne su sledeće karakteristike: niske tačke ključanja itopljenje, nerastvorljivost u vodi, dielektrična svojstva. Zatim ćemo saznati koje tvari karakterizira kovalentna veza, u kojoj dolazi do pomaka zajedničkih elektronskih parova.
Elektronegativnost i njen uticaj na vrstu hemijske veze
Svojstvo određenog elementa da privlači elektrone iz atoma drugog elementa u hemiji se naziva elektronegativnost. Skala vrijednosti za ovaj parametar, koju je predložio L. Pauling, može se naći u svim udžbenicima iz neorganske i opšte hemije. Njegovu 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 svoje jezgro. Dakle, fizička svojstva kovalentne veze direktno zavise od sposobnosti elemenata da doniraju elektrone za uobičajenu upotrebu. Rezultirajući zajednički parovi više nisu locirani simetrično u odnosu na jezgra, već su pomaknuti prema aktivnijem elementu.
Osobine spojeva s polarnom vezom
Supstance u molekulima čiji su zajednički elektronski parovi asimetrični u odnosu na jezgra atoma uključuju vodonik halogenide, kiseline, spojeve halkogena sa vodonikom i kiselinske okside. To su sulfatne i nitratne kiseline, oksidi sumpora i fosfora, sumporovodik itd. Na primjer, molekula klorovodika sadrži jedan zajednički elektronski par,formiran od nesparenih elektrona vodonika i hlora. Pomaknut je bliže centru atoma Cl, koji je više elektronegativni element. Sve tvari s polarnom vezom u vodenim otopinama disociraju na ione i provode električnu struju. Jedinjenja koja imaju polarnu kovalentnu vezu, čije smo primjere naveli, također imaju veće tačke topljenja i ključanja u poređenju sa jednostavnim nemetalnim supstancama.
Metode za razbijanje hemijskih veza
U organskoj hemiji, reakcije supstitucije zasićenih ugljovodonika sa halogenima prate radikalni mehanizam. Mješavina metana i hlora na svjetlu i na običnoj temperaturi reagira na takav način da se molekule klora počinju cijepati na čestice koje nose nesparene elektrone. Drugim riječima, uočava se uništavanje zajedničkog elektronskog para i formiranje vrlo aktivnih radikala -Cl. Oni su u stanju utjecati na molekule metana na takav način da razbiju kovalentnu vezu između atoma ugljika i vodika. Formira se aktivna čestica –H, a slobodna valencija atoma ugljika preuzima radikal hlora, 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 hemijskih veza rastvorenog jedinjenja.
Dvostruko i trostrukolinkovi
Velika većina organskih supstanci i nekih neorganskih jedinjenja sadrži u svojim molekulima ne jedan, već nekoliko zajedničkih elektronskih parova. Višestrukost kovalentne veze smanjuje udaljenost između atoma i povećava stabilnost spojeva. Obično se nazivaju hemijski otpornim. Na primjer, u molekuli dušika postoje tri para elektrona, oni su naznačeni u strukturnoj formuli s tri crtice i određuju njegovu snagu. Prosta supstanca azot je hemijski inertna i može da reaguje sa drugim jedinjenjima, kao što su vodonik, kiseonik ili metali, samo kada se zagreje ili pod povišenim pritiskom, kao i u prisustvu katalizatora.
Dvostruke i trostruke veze su svojstvene takvim klasama organskih jedinjenja kao što su nezasićeni dienski ugljovodonici, kao i supstance serije etilena ili acetilena. Višestruke veze određuju glavna hemijska svojstva: reakcije adicije i polimerizacije koje se dešavaju na tačkama njihovog prekida.
U našem članku dali smo opšti opis kovalentne veze i ispitali njene glavne tipove.
