KEMIJSKA VEZA: KARAKTERISTIKE, NAČIN NA KOJI SE FORMIRAJU, VRSTE - KEMIJA - 2024

Kemijska veza je sila koja uspijeva držati zajedno atome koji čine stvar. Svaka vrsta materije ima karakterističnu kemijsku vezu, koja se sastoji od sudjelovanja jednog ili više elektrona. Tako se sile koje vežu atome u plinovima razlikuju, na primjer, od metala.

Svi elementi periodne tablice (osim helija i lakih plemenitih plinova) mogu međusobno tvoriti kemijske veze. Međutim, priroda njih se mijenja ovisno o tome iz kojih elemenata dolaze elektroni koji ih tvore. Bitni parametar koji objašnjava vrstu veza je elektronegativnost.

Izvor: Autor Ymwang42 (razgovor). Ymwang42 na en.wikipedia, iz Wikimedia Commons

Razlika u elektronegativnosti (ΔE) između dva atoma određuje ne samo vrstu kemijske veze, nego i fizikalno-kemijska svojstva spoja. Za soli je karakteristično da imaju ionske veze (visoki ΔE), a mnogi organski spojevi, poput vitamina B ₁₂ (gornja slika), imaju kovalentne veze (nizak ΔE).

U višoj molekularnoj strukturi svaka od linija predstavlja kovalentnu vezu. Klinovi označavaju da veza izlazi iz ravnine (prema čitaču), a podvlačene iza ravnine (dalje od čitača). Imajte na umu da postoje dvostruke veze (=) i kobaltni atom koordiniran s pet atoma dušika i R bočnim lancem.

Ali zašto nastaju takve kemijske veze? Odgovor leži u energetskoj stabilnosti sudjelujućih atoma i elektrona. Ova stabilnost mora uravnotežiti elektrostatička odbijanja koja se javljaju između elektronskih oblaka i jezgara i privlačnost koju jezgra vrši na elektrone susjednog atoma.

Definicija kemijske veze

Mnogi su autori dali definicije kemijske veze. Od svih njih, najvažnija je bila ona fizikohemičara GN Lewisa, koji je kemijsku vezu definirao kao sudjelovanje para elektrona između dva atoma. Ako atomi A · i · B mogu doprinijeti jednom elektronu, tada će se jednostruka veza A: B ili A - B stvoriti između njih.

Prije stvaranja veze, i A i B razdvojeni su neograničenim razmakom, ali u vezivanju ih sada postoji sila koja ih drži zajedno u dijatomejskom spoju AB i udaljenosti veze (ili duljini) veze.

karakteristike

Izvor: Gabriel Bolívar

Koje su karakteristike ove sile koja drži atome zajedno? One ovise više o vrsti veze između A i B, nego o njihovim elektronskim strukturama. Na primjer, veza A - B je usmjerena. Što to znači? Da se sila koju udružuje par elektrona može prikazati na osi (kao da je to cilindar).

Također, ta veza zahtijeva energiju da bi se prekinula. Ova količina energije može se izraziti u jedinicama kJ / mol ili cal / mol. Nakon što se na energiju nanese dovoljno energije (na primjer, toplinom), ona će se rastaviti u izvorne A · i · B atome.

Što je veza stabilnija, to će više energije trebati da odvojite vezane atome.

S druge strane, ako bi veza u spoju AB bila ionska, A ⁺ B ^-, bila bi to ne-usmjerena sila. Zašto? Jer A ⁺ djeluje na B ^- privlačnu silu (i obrnuto) koja više ovisi o udaljenosti koja razdvaja oba iona u prostoru nego o njihovom relativnom položaju.

Ovo polje privlačenja i odbojnosti okuplja druge ione koji tvore ono što je poznato kao kristalna rešetka (gornja slika: A ⁺ kation leži okružen s četiri B ^- aniona, a okruženi su četiri A ⁺ kationa i tako dalje).

Kako nastaju kemijske veze?

AA homonuklearni spojevi

Izvor: Gabriel Bolívar

Da bi par elektrona stvorio vezu, postoji mnogo stvari koje se moraju razmotriti najprije. Jezgre, recimo one A, imaju protone i zbog toga su pozitivne. Kad su dva A-atoma vrlo udaljena, to jest na velikoj međunuklearnoj udaljenosti (gornja slika), oni ne doživljavaju nikakvu privlačnost.

Kako se dva A-atoma približavaju svojim jezgrama, privlače ih elektronski oblak susjednog atoma (ljubičasti krug). Ovo je sila privlačnosti (A na susjednom ljubičastom krugu). Međutim, dvije jezgre A se odbijaju jedna drugu jer su pozitivne, a ta sila povećava potencijalnu energiju veze (vertikalna os).

Postoji međunuklearna udaljenost u kojoj potencijalna energija doseže minimum; to jest, i privlačne i odbojne sile (dva A-atoma u donjem dijelu slike) su uravnotežene.

Ako se ta udaljenost smanji nakon ove točke, veza će uzrokovati da se dvije jezgre međusobno odbijaju, destabilizirajući AA spoj.

Dakle, da bi veza nastala, mora postojati energetski odgovarajući međunuklearni razmak; i nadalje, atomske orbitale moraju se ispravno preklapati da bi se elektroni vezali.

Heteronuklearni spojevi AB

Što ako se umjesto dva atoma A, jedan od A i drugi iz B pridruže? U ovom bi se slučaju gornji graf promijenio jer bi jedan od atoma imao više protona od drugog, a oblaci elektrona imali bi različite veličine.

Kako se veza A - B formira na odgovarajućoj međunuklearnoj udaljenosti, par elektrona naći će se uglavnom u blizini najviše elektronegativnog atoma. To je slučaj sa svim heteronuklearnim kemijskim spojevima, koji čine veliku većinu onih koji su poznati (i bit će poznati).

Iako se ne spominju u dubini, postoje brojne varijable koje izravno utječu na pristup atoma i formiranje kemijskih veza; neke su termodinamičke (je li reakcija spontana?), elektroničke (koliko su pune ili prazne orbitale atoma), a druge kinetičke.

Vrste kemijskih veza

Veze imaju niz karakteristika koje ih razlikuju jedna od druge. Nekoliko ih se može ugraditi u tri glavne klasifikacije: kovalentne, ionske ili metalne.

Iako postoje spojevi čije veze pripadaju jednoj vrsti, mnogi se zapravo sastoje od mješavine znakova svakog od njih. Ta je činjenica posljedica razlike u elektronegativnosti između atoma koji tvore veze. Stoga neki spojevi mogu biti kovalentni, ali imaju neki ionski karakter u svojim vezama.

Isto tako, vrsta veze, struktura i molekularna masa su ključni faktori koji definiraju makroskopska svojstva materije (svjetlina, tvrdoća, topljivost, talište itd.).

-Kovalentna veza

Kovalentne veze su one koje su dosad objašnjene. U njima se dvije orbitale (po jedan elektron u svakoj) moraju preklapati s jezgrama odvojenim odgovarajućom međunuklearnom udaljenošću.

Prema teoriji molekularne orbite (TOM), ako je preklapanje orbitala frontalno, formirat će se sigma σ veza (koja se također naziva jednostavna ili jednostavna veza). Dok ako su orbitale formirane bočnim i okomitim preklapanjem u odnosu na međunuklearnu os, imat ćemo π veze (dvostruke i trostruke):

Izvor: Gabriel Bolívar

Jednostavna veza

Σ veza, kao što se može vidjeti na slici, formira se duž međunuklearne osi. Iako nisu prikazane, A i B mogu imati i druge veze, i samim tim svoje kemijsko okruženje (različiti dijelovi molekularne strukture). Ovu vrstu veze karakterizira njena rotacijska snaga (zeleni cilindar) i to što je najjača od svih.

Na primjer, jednostruka veza u molekuli vodika može se zakretati oko međunuklearne osi (H - H). Slično tome, hipotetička molekula CA - AB može.

Veze C - A, A - A i A - B okreću se; ali ako su C ili B atomi ili skupina glomaznih atoma, rotacija A - A je sterilno ometana (jer bi se C i B sudarali).

Pojedinačne veze nalaze se u praktično svim molekulama. Njegovi atomi mogu imati bilo kakvu kemijsku hibridizaciju sve dok je preklapanje njihovih orbitala frontalno. Vraćajući se strukturi vitamina B ₁₂, bilo koji pojedinačni redak (-) ukazuje na jednu vezu (na primjer, –CONH ₂ veze).

Dvostruka veza

Dvostrukih veza zahtijeva atome se (obično) sp ² hibridizirani. Čista p veza, okomita na tri sp ² hibridna orbitala, tvori dvostruku vezu, koja je prikazana kao sivkast list.

Imajte na umu da i jednostruka veza (zeleni cilindar) i dvostruka veza (sivi list) postoje istovremeno. Međutim, za razliku od jednostrukih veza, dvostruke veze nemaju istu slobodu rotacije oko međunuklearne osi. To je zato što se za zakretanje veza (ili folija) mora prekinuti; proces za koji je potrebna energija.

Također, veza A = B je reaktivnija od A - B. Njegova duljina je kraća, a atomi A i B su na kraćoj međunuklearnoj udaljenosti; prema tome, veća je odbojnost između obje jezgre. Za razbijanje jednostruke i dvostruke veze potrebno je više energije nego što je potrebno za odvajanje atoma u molekuli A - B.

U strukturi vitamina B ₁₂ može se primijetiti više dvostrukih veza: C = O, P = O, i unutar aromatičnih prstenova.

Trostruka veza

Trostruka veza je čak kraća od dvostruke veze i njezina rotacija je energetski ometanija. U njemu se formiraju dvije π veze okomito jedna na drugu (sivkast i ljubičasti listovi), kao i jedna jednostruka veza.

Obično, kemijska hibridizacija atoma A i B mora biti sp: dvije sp orbitale jednake 180 ° i dvije čiste p orbitale okomito na prvu. Imajte na umu da trostruka veza izgleda poput vesla, ali bez rotacijske snage. Ta veza može biti predstavljen samo kao A≡B (N≡N, molekula dušika N ₂).

Od svih kovalentnih veza, ova je najaktivnija; ali istodobno ona koja treba više energije za potpuno odvajanje svojih atoma (· A: +: B ·). Kada bi vitamin B ₁₂ imao trostruku vezu unutar svoje molekularne strukture, njegov bi se farmakološki učinak dramatično promijenio.

Šest elektrona sudjeluje u trostrukim vezama; u parovima, četiri elektrona; a u jednostavnom ili jednostavnom, dva.

Stvaranje jedne ili više tih kovalentnih veza ovisi o elektroničkoj dostupnosti atoma; to jest, koliko elektrona ima svojih orbitala da bi stekli jedan oktet valencije.

Nepolarna veza

Kovalentna veza sastoji se od jednakog dijeljenja para elektrona između dva atoma. Ali to je strogo točno samo u slučaju kada oba atoma imaju jednake elektronegativnosti; to jest ista tendencija privlačenja elektronske gustoće iz svoje okoline u spoj.

Za nepolarne veze karakteristična je nulta razlika elektronegativnosti (ΔE≈0). To se događa u dvije situacije: u Homonuklearne spoja (A ₂), ili su kemijski okoline na obje strane veze su ekvivalent (H ₃ C - CH ₃, etan molekula).

Primjeri nepolarnih veza vide se u slijedećim spojevima:

Vodik (H - H)

-Kisik (O = O)

-Nogen (N≡N)

-Fluor (F - F)

-Kloro (Cl-Cl)

-Acetilen (HC≡CH)

Polarne veze

Kada postoji izražena razlika u elektronegativnosti ΔE između oba atoma, stvara se dipolni trenutak duž osi veze: A ^{δ +} –B ^δ-. U slučaju heteronuklearnog spoja AB, B je najviše elektronegativni atom, i stoga ima veću elektronsku gustoću δ-; dok A, najmanje elektronegativan, ima nedostatak δ + naboja.

Da bi se dogodile polarne veze, moraju se pridružiti dva atoma s različitim elektronegativnostima; i na taj način tvore heteronuklearne spojeve. A - B nalikuje magnetu: ima pozitivan i negativan pol. To mu omogućuje interakciju s drugim molekulama putem dipol-dipolnih sila, među kojima su vodikove veze.

Voda ima dvije polarne kovalentne veze, H - O - H, a njezina molekularna geometrija je kutna, što povećava njen dipolni moment. Ako bi njegova geometrija bila linearna, oceani bi isparali i voda bi imala nižu točku ključanja.

Činjenica da spoj ima polarne veze ne znači da je polarna. Na primjer, ugljik tetraklorid, CCI ₄, ima četiri polarne CCL obveznice, ali zbog njihove tetraedarskog aranžmana, dipolni moment završi kao vectorially poništen.

Dative ili koordinacijske veze

Kad neki atom odustane od para elektrona da tvori kovalentnu vezu s drugim atomom, tada govorimo o dativnoj ili koordinacijskoj vezi. Na primjer, s B: raspoloživi par elektrona i A (ili A ⁺), elektronskim slobodnim mjestom, formira se veza B: A.

U strukturi vitamina B ₁₂ pet atoma dušika povezano je s metalnim središtem Co putem ove vrste kovalentne veze. Ovi dušikovi daju svoj par slobodnih elektrona kationu Co ³⁺, metal koji koordinira s njima (Co ³⁺: N–)

Drugi primjer se može naći u protoniranju molekule amonijaka da nastane amonijak:

H ₃ N: + H ⁺ => NH ₄ ⁺

Napominjemo da u oba slučaja atom dušika doprinosi elektronima; prema tome, davativna ili koordinacijska kovalentna veza nastaje kada jedini atom doprinosi paru elektrona.

Na isti način, molekula vode može se protonizirati u kation hidronije (ili oksonija):

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

Za razliku od amonij kation, hydronium još ima slobodan par elektrona (H ₃ O: ⁺); Međutim, to je vrlo teško za to da prihvati još jedan proton u obliku nestabilnog hydronium dikation, H ₄ O ²⁺.

-Jonska veza

Izvor: Pixabay

Na slici je bijelo brdo soli. Za soli je karakteristično da imaju kristalne strukture, to jest simetrične su i poredane; visoke tališta i vrelišta, velike električne vodljivosti pri topljenju ili otapanju, a također, njeni ioni su snažno vezani elektrostatičkim interakcijama.

Ove interakcije tvore ono što je poznato kao ionska veza. Na drugoj slici prikazan je A ⁺ kation okružen s četiri B ^- aniona, ali ovo je 2D prikaz. U tri dimenzije, A ⁺ bi trebao imati druge B anione ^- ispred i iza ravnine, tvoreći različite strukture.

Dakle, A ⁺ može imati šest, osam ili čak dvanaest susjeda. Broj susjeda koji okružuju ion u kristalu poznat je pod nazivom koordinacijski broj (NC). Za svaki NC povezan je tip kristalnog rasporeda, koji zauzvrat predstavlja čvrstu fazu soli.

Simetrični i fasetirani kristali koji se vide u solima nastaju zbog ravnoteže uspostavljene elektrostatičkim interakcijama privlačenja (A ⁺ B ^-) i odbijanja (A ⁺ A ⁺, B ^- B ^-).

Trening

Ali zašto A + i B ^-, ili Na ⁺ i Cl ^-, ne tvore Na-Cl kovalentne veze? Zato što je atom klora mnogo elektronegativniji od metala natrija, kojeg karakterizira i to što se vrlo lako odriče svojih elektrona. Kad se ovi elementi susretnu, oni egzotermično reagiraju na proizvodnju kuhinjske soli:

2Na (s) + Cl ₂ (g) => 2NaCl (s)

Dva atoma natrij odustaju od jednog valentni elektron (Na) na · dvoatomsku molekulu Cl ₂, čime se dobije Cl ^- anione.

Interakcije između natrijevih kationa i aniona klorida, iako predstavljaju slabiju vezu od kovalentnih, mogu ih držati snažno sjedinjenima u krutini; a ta se činjenica ogleda u visokom talištu soli (801ºC).

Metalna veza

Izvor: Pixnio

Posljednja od vrsta kemijskih veza je metalna. Ovo se može naći na bilo kojem dijelu metala ili legure. Karakterizira ga posebnost i razlikuje se od ostalih, zbog činjenice da elektroni ne prolaze iz jednog atoma u drugi, već putuju, poput mora, kroz kristal metala.

Dakle, metalni atomi, da kažemo bakar, međusobno miješaju svoje valentne orbitale kako bi tvorili vodljive vrpce; kroz koje elektroni (s, p, dof) prolaze oko atoma i čvrsto ih drže zajedno.

Ovisno o broju elektrona koji prolaze kroz metalni kristal, orbitalima predviđenim za pojaseve i pakiranju njegovih atoma, metal može biti mekan (poput alkalnih metala), tvrd, sjajan ili dobar provodnik električne energije i vruće.

Sila koja drži atome metala, poput onih koji čine malog čovjeka na slici i prijenosnog računala, veća je od sile soli.

To se može eksperimentalno potvrditi jer se kristali soli mogu podijeliti u nekoliko polovica prije mehaničke sile; dok se metalni komad (sastavljen od vrlo malih kristala) deformira.

Primjeri veza

Sljedeća četiri spoja obuhvaćaju opisane vrste kemijskih veza:

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

-Nodium, Na: metalik.

-Fluor F ₂ (F - F) nepolarne kovalentne, s obzirom na činjenicu da je nula AE između oba atoma jer su identični.

-Hidrogen fluorid, HF (H-F): polarni kovalent, budući da je u ovom spoju fluor više elektronegativan od vodika.

Postoje spojevi, kao što je vitamin B ₁₂, koje su obje polarne i ionske kovalentne veze (u negativnim nabojem svoje fosfatne skupine -PO ₄ ^- -). U nekim složenim strukturama, poput metalnih skupina, sve ove vrste veza mogu čak postojati.

Materija u svim svojim manifestacijama nudi primjere kemijskih veza. Od kamena na dnu ribnjaka i vode koja ga okružuje, pa sve do krastata koji kroše na njegovim rubovima.

Iako su veze možda jednostavne, broj i prostorni raspored atoma u molekularnoj strukturi omogućavaju bogatu raznolikost spojeva.

Važnost kemijske veze

Koja je važnost kemijske veze? Neizmjerni broj posljedica koje bi nedostatak kemijske veze mogao otkriti ukazuje na njegov ogroman značaj u prirodi:

- Bez toga, boje ne bi postojale jer njegovi elektroni ne bi apsorbirali elektromagnetsko zračenje. Čestice prašine i leda prisutne u atmosferi bi nestale i zbog toga bi plava boja neba postala tamna.

-Karbon ne može formirati svoje beskrajne lance iz kojih potječu milijarde organskih i bioloških spojeva.

- Proteini se nisu mogli definirati ni u njihovim sastavnim aminokiselinama. Nestali bi šećeri i masti, kao i svi ugljikovi spojevi u živim organizmima.

- Zemlja ne bi imala atmosferu, jer u nedostatku kemijskih veza u svojim plinovima, ne bi bilo snage da ih drži zajedno. Također ne bi postojala ni najmanja intermolekularna interakcija među njima.

- Planine bi mogle nestati, jer njihove stijene i minerali, iako teški, nisu mogli sadržavati atome nabijene u njihovim kristalnim ili amorfnim strukturama.

-Svijet bi bio formiran solitarnim atomima nesposobnima da formiraju čvrste ili tekuće tvari. To bi također rezultiralo nestankom svih transformacija materije; to jest, ne bi bilo kemijskih reakcija. Samo prolazni plinovi posvuda.

Reference

1. Harry B. Grey. (1965). Elektroni i kemijsko vezivanje. WA BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck i Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 233, 251, 278, 279.
3. Nave R. (2016). Kemijsko vezivanje. Oporavak od: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Vrste kemijskih veza. (3. listopada 2006.). Preuzeto sa: dwb4.unl.edu
5. Formiranje kemijskih veza: Uloga elektrona., Oporavak od: cod.edu
6. Zaklada CK-12. (SF). Stvaranje energije i kovalentne veze. Oporavak od: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Koordinatna ili dativna kovalentna veza. Oporavilo od: quimitube.com