Miért tudnak az atomok egymással egyesülve molekulákat képezni? Mi az oka annak, hogy léteznek olyan anyagok, amelyek teljesen különböző kémiai elemek atomjait tartalmazzák? Ezek globális kérdések, amelyek a modern fizikai és kémiai tudomány alapvető fogalmait érintik. Válaszolhat rájuk, ha van elképzelése az atomok elektronszerkezetéről, és ismeri a kovalens kötés jellemzőit, amely a legtöbb vegyületosztály alapja. Cikkünk célja, hogy megismerjük a különféle típusú kémiai kötések kialakulásának mechanizmusait és az ezeket molekuláikban tartalmazó vegyületek tulajdonságait.
Az atom elektronikus szerkezete
Az anyag elektrosemleges részecskéi, amelyek szerkezeti elemei, olyan szerkezettel rendelkeznek, amely a Naprendszer szerkezetét tükrözi. Ahogy a bolygók a központi csillag – a Nap – körül keringenek, úgy az atomban lévő elektronok a pozitív töltésű atommag körül mozognak. JellemezniA kovalens kötésben az utolsó energiaszinten és az atommagtól legtávolabbi elektronok lesznek jelentősek. Mivel kapcsolatuk saját atomjuk középpontjával minimális, könnyen vonzani tudják őket más atomok magjai. Ez nagyon fontos az interatomikus kölcsönhatások előfordulásához, amelyek molekulák kialakulásához vezetnek. Miért a molekuláris forma az anyag létezésének fő típusa bolygónkon? Nézzük meg.
Az atomok alapvető tulajdonsága
Az elektromosan semleges részecskék kölcsönhatásra való képessége, ami energianövekedéshez vezet, a legfontosabb jellemzőjük. Valójában normál körülmények között az anyag molekuláris állapota stabilabb, mint az atomi állapot. A modern atom- és molekulaelmélet főbb rendelkezései mind a molekulák képződésének alapelveit, mind a kovalens kötés jellemzőit magyarázzák. Emlékezzünk vissza, hogy egy atom külső energiaszintje 1-8 elektront tartalmazhat, ez utóbbi esetben a réteg teljes lesz, ami azt jelenti, hogy nagyon stabil lesz. A nemesgázok atomjai ilyen külső szintű szerkezettel rendelkeznek: argon, kripton, xenon - inert elemek, amelyek minden időszakot befejeznek D. I. Mengyelejev rendszerében. Ez alól kivétel a hélium, amelynek nem 8, hanem csak 2 elektronja van az utolsó szinten. Az ok egyszerű: az első periódusban csak két olyan elem létezik, amelyek atomjainak egyetlen elektronrétege van. Minden más kémiai elemnek 1-7 elektronja van az utolsó, nem teljes rétegen. Az egymással való kölcsönhatás során az atomok fognaktörekedjünk arra, hogy oktettig tele legyenek elektronokkal, és helyreállítsuk egy inert elem atomjának konfigurációját. Egy ilyen állapotot kétféleképpen lehet elérni: a saját elvesztésével vagy az idegen negatív töltésű részecskék befogadásával. A kölcsönhatás ezen formái megmagyarázzák, hogyan határozható meg, hogy ionos vagy kovalens kötés jön-e létre a reagáló atomok között.
Mechanizmusok a stabil elektronikus konfiguráció kialakításához
Képzeljük el, hogy a vegyület reakciójába két egyszerű anyag lép be: a fémes nátrium és a gáznemű klór. A sók osztályába tartozó anyag képződik - nátrium-klorid. Ionos típusú kémiai kötése van. Miért és hogyan jött létre? Térjünk vissza a kiindulási anyagok atomjainak szerkezetére. A nátriumnak csak egy elektronja van az utolsó rétegen, amely az atom nagy sugara miatt gyengén kötődik a maghoz. Az összes alkálifém, köztük a nátrium ionizációs energiája alacsony. Ezért a külső szint elektronja elhagyja az energiaszintet, magához vonzza a klóratom magja és a terében marad. Ez precedenst teremt a Cl atom negatív töltésű ionokká történő átalakulására. Most már nem elektromosan semleges részecskékkel van dolgunk, hanem töltött nátriumkationokkal és klóranionokkal. A fizika törvényeinek megfelelően elektrosztatikus vonzási erők lépnek fel közöttük, és a vegyület ionos kristályrácsot képez. A kémiai kötések ionos típusának kialakulásának általunk vizsgált mechanizmusa segít a kovalens kötés sajátosságainak és főbb jellemzőinek pontosabb tisztázásában.
Megosztott elektronpárok
Ha ionos kötés jön létre olyan elemek atomjai között, amelyek elektronegativitása nagyon eltérő, azaz fémek és nemfémek, akkor a kovalens típus akkor jelenik meg, amikor azonos vagy különböző nemfémes elemek atomjai kölcsönhatásba lépnek. Az első esetben a nem polárisról, a másikban pedig a kovalens kötés poláris formájáról szokás beszélni. Kialakulásuk mechanizmusa közös: az atomok mindegyike részben közös használatú elektronokat ad, amelyek páronként egyesülnek. De az elektronpárok térbeli elrendezése az atommagokhoz képest eltérő lesz. Ezen az alapon megkülönböztetik a kovalens kötések típusait - nem poláris és poláris. Leggyakrabban a nem fémes elemek atomjaiból álló kémiai vegyületekben ellentétes spinű elektronpárok vannak, azaz az atommagjuk körül ellentétes irányban forognak. Mivel a negatív töltésű részecskék mozgása a térben elektronfelhők kialakulásához vezet, ami végső soron kölcsönös átfedésükben végződik. Milyen következményekkel jár ez a folyamat az atomokra nézve, és mihez vezet?
A kovalens kötés fizikai tulajdonságai
Kiderült, hogy két kölcsönhatásban lévő atom középpontja között nagy sűrűségű kételektronos felhő található. A negatív töltésű felhő és az atommagok közötti elektrosztatikus vonzási erők megnőnek. Az energia egy része felszabadul, és csökken az atomközéppontok közötti távolság. Például egy molekula kialakulásának kezdetén H2 a hidrogénatomok magjai közötti távolság1,06 A, a felhők átfedése és egy közös elektronpár kialakulása után - 0,74 A. A fenti mechanizmus szerint létrejött kovalens kötésre egyszerű és összetett szervetlen anyagok között is találunk példákat. Fő megkülönböztető jellemzője a közös elektronpárok jelenléte. Ennek eredményeként, miután kovalens kötés keletkezik az atomok között, például a hidrogén között, mindegyik felveszi az inert hélium elektronkonfigurációját, és a kapott molekula szerkezete stabil.
A molekula térbeli alakja
A kovalens kötés másik nagyon fontos fizikai tulajdonsága az irányultság. Ez az anyagmolekula térbeli konfigurációjától függ. Például, ha két elektron átfedésben van egy gömbfelhővel, a molekula megjelenése lineáris (hidrogén-klorid vagy hidrogén-bromid). A vízmolekulák alakja, amelyben az s- és p-felhők hibridizálnak, szögletes, a gáznemű nitrogén nagyon erős részecskéi pedig piramisszerűek.
Egyszerű anyagok szerkezete – nem fémek
Miután megtudta, milyen kötést nevezünk kovalensnek, milyen előjelei vannak, itt az ideje, hogy foglalkozzunk fajtáival. Ha ugyanazon nemfém atomjai - klór, nitrogén, oxigén, bróm stb. - kölcsönhatásba lépnek egymással, akkor a megfelelő egyszerű anyagok képződnek. Közös elektronpárjaik az atomok középpontjától azonos távolságra helyezkednek el, eltolódás nélkül. A nem poláris típusú kovalens kötéssel rendelkező vegyületekre a következő jellemzők jellemzőek: alacsony forráspont ésolvadás, vízben való oldhatatlanság, dielektromos tulajdonságok. Ezután megtudjuk, mely anyagokra jellemző a kovalens kötés, amelyben közös elektronpárok eltolódása következik be.
Az elektronegativitás és hatása a kémiai kötés típusára
Egy adott elem azon tulajdonságát, hogy elektronokat vonz egy másik elem atomjából a kémiában elektronegativitásnak nevezzük. Ennek a paraméternek az értékskálája, amelyet L. Pauling javasolt, minden szervetlen és általános kémia tankönyvben megtalálható. Legnagyobb értéke - 4,1 eV - fluort tartalmaz, a kisebbik egyéb aktív nemfémeket, a legalacsonyabb mutató pedig az alkálifémekre jellemző. Ha az elektronegativitásukban eltérő elemek reagálnak egymással, akkor elkerülhetetlenül egy, aktívabb, egy passzívabb elem atomjának negatív töltésű részecskéit vonzza magához. Így a kovalens kötés fizikai tulajdonságai közvetlenül függnek attól, hogy az elemek képesek-e elektronokat adni közös használatra. A kapott közös párok már nem szimmetrikusan helyezkednek el a magokhoz képest, hanem az aktívabb elem felé tolódnak el.
A poláris kötést tartalmazó vegyületek jellemzői
Az olyan molekulákban lévő anyagok, amelyekben az összekapcsolt elektronpárok az atommagokhoz képest aszimmetrikusak, közé tartoznak a hidrogén-halogenidek, savak, kalkogén hidrogénnel alkotott vegyületei és savas oxidok. Ezek szulfát- és nitrátsavak, kén- és foszfor-oxidok, hidrogén-szulfid stb. Egy hidrogén-klorid-molekula például egy közös elektronpárt tartalmaz,hidrogén és klór párosítatlan elektronjai alkotják. Közelebb van tolva a Cl atom középpontjához, amely egy elektronegatívabb elem. Minden poláris kötéssel rendelkező anyag vizes oldatban ionokká disszociál és elektromos áramot vezet. A poláris kovalens kötést tartalmazó vegyületeknek, amelyekre példákat is adtunk, magasabb az olvadáspontja és a forráspontja is, mint az egyszerű nemfémes anyagoknak.
A kémiai kötések megszakításának módszerei
A szerves kémiában a telített szénhidrogének halogénekkel való helyettesítési reakciói gyökös mechanizmust követnek. A metán és klór keveréke fényben és normál hőmérsékleten úgy reagál, hogy a klórmolekulák páratlan elektronokat hordozó részecskékre kezdenek szétesni. Vagyis a közös elektronpár pusztulását és nagyon aktív -Cl gyökök képződését figyelik meg. Képesek oly módon befolyásolni a metánmolekulákat, hogy megszakítsák a szén- és hidrogénatom közötti kovalens kötést. Aktív –H részecske képződik, és a szénatom szabad vegyértéke klórgyököt vesz fel, és a reakció első terméke a klór-metán lesz. A molekulák felosztásának ilyen mechanizmusát homolitikusnak nevezik. Ha a közös elektronpár teljesen átmegy valamelyik atom birtokába, akkor a vizes oldatokban végbemenő reakciókra jellemző heterolitikus mechanizmusról beszélnek. Ebben az esetben a poláris vízmolekulák megnövelik az oldott vegyület kémiai kötéseinek pusztulási sebességét.
Dupla és triplalinkek
A szerves anyagok túlnyomó többsége és egyes szervetlen vegyületek molekuláiban nem egy, hanem több közös elektronpár található. A kovalens kötés sokfélesége csökkenti az atomok közötti távolságot és növeli a vegyületek stabilitását. Általában vegyszerállónak nevezik őket. Például egy nitrogénmolekulában három elektronpár van, ezeket a szerkezeti képletben három kötőjel jelzi, és meghatározza az erősségét. A nitrogén egyszerű anyag kémiailag közömbös, és csak hevítéskor vagy magas nyomáson, valamint katalizátorok jelenlétében tud reagálni más vegyületekkel, például hidrogénnel, oxigénnel vagy fémekkel.
A kettős és hármas kötések a szerves vegyületek olyan osztályaiban rejlenek, mint a telítetlen dién-szénhidrogének, valamint az etilén vagy acetilén sorozatba tartozó anyagok. A többszörös kötések határozzák meg a fő kémiai tulajdonságokat: addíciós és polimerizációs reakciók, amelyek a szakadásuk helyén mennek végbe.
Cikkünkben általános leírást adtunk a kovalens kötésről, és megvizsgáltuk főbb típusait.
