Definicija kemijskih veza, karakteristike, kako se one formiraju, vrste

kemijska veza to je sila koja uspijeva zadržati atome koji čine materiju zajedno. Svaka vrsta materije ima karakterističnu kemijsku vezu, koja se sastoji od sudjelovanja jednog ili više elektrona. Prema tome, sile koje spajaju atome u plinovima su različite, na primjer, od metala.

Svi elementi periodnog sustava (uz iznimku helija i lakih plemenitih plinova) mogu međusobno tvoriti kemijske veze. Međutim, njihova se priroda mijenja ovisno o tome koji elementi dolaze od elektrona koji ih tvore. Bitan parametar koji objašnjava vrstu veza je elektronegativnost.

Razlika u elektronegativnosti (ΔE) između dva atoma definira ne samo vrstu kemijske veze, već i fizičko-kemijska svojstva spoja. Soli su karakterizirane ionskim vezama (visoki ΔE) i mnogim organskim spojevima, kao što je vitamin B₁₂ (gornja slika), kovalentne veze (niska ΔE).

U gornjoj molekularnoj strukturi svaka od linija predstavlja kovalentnu vezu. Klinovi ukazuju na to da veza izlazi iz ravnine (prema čitaču), a one podcrtane iz ravnine (daleko od čitača). Imajte na umu da postoje dvostruke veze (=) i atom kobalta koordiniran s pet dušikovih atoma i bočnim lancem R.

Ali zašto se stvaraju takve kemijske veze? Odgovor leži u energetskoj stabilnosti atoma i elektrona. Ta stabilnost mora uravnotežiti elektrostatičke odbojnosti doživljene između elektroničkih oblaka i jezgara, te privlačenje nukleusa na elektrone susjednog atoma..

indeks

• 1 Definicija kemijske veze
• 2 Značajke
• 3 Kako se oni formiraju
  • 3.1 Homonuklearni spojevi A-A
  • 3.2 Heteronuklearni spojevi A-B
• 4 Vrste
  • 4.1 - Kovalentna veza
  • 4.2 - Jonska veza
  • 4.3 Metalna veza
• 5 Primjeri
• 6 Važnost kemijske veze
• 7 Reference

Definicija kemijske veze

Mnogi autori dali su definicije kemijske veze. Od svih njih najvažniji je bio fizikalno-kemijski G. N. Lewis, koji je kemijsku vezu definirao kao sudjelovanje para elektrona između dva atoma. Ako atomi A · i · B mogu dati jedan elektron, tada se između njih formira jednostavna veza A: B ili A-B.

Prije formiranja veze, oba A i B su odvojena neodređenom udaljenosti, ali pri povezivanju sada postoji sila koja ih drži zajedno u dijatomejskom spoju AB i udaljenosti (ili dužini) veze.

značajke

Koje značajke ima ova sila koja drži atome zajedno? Oni više ovise o vrsti veze između A i B nego o njihovim elektroničkim strukturama. Na primjer, veza A-B je usmjerena. Kako to misliš? Da se sila koja djeluje na jedinstvo para elektrona može prikazati na osi (kao da je to cilindar).

Isto tako, ova veza zahtijeva energiju za prekid. Ta količina energije može se izraziti u jedinicama kJ / mol ili kal / mol. Nakon što se dovoljno energije primijeni na AB spoj (pomoću topline, na primjer), on će se disocirati na originalne A · i · B atome.

Što je veza stabilnija, to je veća količina energije koja je potrebna za odvajanje pridruženih atoma.

S druge strane, ako je veza u spoju AB ionska, A⁺B^-, onda bi to bila neusmjerena sila. Zašto? Zbog A⁺ djeluje privlačno na B^- (i obrnuto) koji više ovisi o udaljenosti koja razdvaja oba iona u prostoru nego na relativnom položaju njih.

Ovo polje privlačenja i odbijanja okuplja druge ione kako bi se stvorilo ono što je poznato kao kristalna rešetka (gornja slika: kation A).⁺ leži okružen s četiri aniona B^-, i ova četiri kationa A⁺ i tako dalje).

Kako se oni formiraju

Homonuklearni spojevi A-A

Za par elektrona koji tvore vezu postoji mnogo aspekata koji se prvo moraju uzeti u obzir. Jezgre, da kažemo one od A, imaju protone i stoga su pozitivne. Kada su dva atoma A udaljena jedan od drugog, to jest, na velikoj internuklearnoj udaljenosti (gornja slika), oni ne doživljavaju nikakvu privlačnost.

Kako se približavaju dva atoma A, njihove jezgre privlače elektronski oblak susjednog atoma (ljubičasti krug). To je privlačna sila (A preko susjednog ljubičastog kruga). Međutim, dvije jezgre od A odbijaju se pozitivnim, a ta sila povećava potencijalnu energiju veze (vertikalna os).

Postoji internuklearna udaljenost u kojoj potencijalna energija doseže minimum; to jest, i privlačna sila i odbojna sila su uravnotežene (dva atoma A u donjem dijelu slike).

Ako se ta udaljenost smanji nakon ove točke, veza će uzrokovati jako odbijanje dvije jezgre, destabilizirajući spoj A-A.

Dakle, da bi se veza mogla formirati mora postojati energetski adekvatna internuklearna udaljenost; osim toga, atomske orbitale moraju se ispravno preklapati tako da su elektroni povezani.

Heteronuklearni spojevi A-B

Što ako se umjesto dva ata A pridruži jedan od A i drugi B? U tom bi se slučaju gornji grafikon promijenio jer bi jedan od atoma imao više protona nego drugi, a elektronski oblaci različitih veličina.

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

Iako se ne spominje u dubini, postoje brojne varijable koje izravno utječu na to kako se pristupi atomima i nastaju kemijske veze; neke su termodinamičke (je li reakcija spontana?), elektroničke (koliko su pune ili prazne orbitale atoma) i druge kinetike.

vrsta

Linkovi predstavljaju niz značajki koje ih razlikuju jedna od druge. Nekoliko njih se može uokviriti u tri glavne klasifikacije: kovalentno, ionsko ili metalno.

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 čine veze. Prema tome, neki spojevi mogu biti kovalentni, ali u svojim vezama imaju određeni ionski karakter.

Također, tip veze, struktura i molekularna masa su ključni čimbenici koji definiraju makroskopska svojstva materijala (svjetlina, tvrdoća, topljivost, točka taljenja, itd.).

-Kovalentna veza

Kovalentne veze su one koje su do sada objašnjene. U njima se dvije orbitale (jedan elektron u svakoj) moraju preklapati s odvojenim jezgrama na odgovarajućoj internuklearnoj udaljenosti.

Prema teoriji molekularne orbite (TOM), ako je preklapanje orbitala frontalno, formira se sigma σ veza (koja se također naziva jednostavna ili jednostavna veza). Dok ako su orbitale formirane lateralnim i okomitim preklapanjima s obzirom na internuklearnu os, prisutne su π (dvostruke i trostruke) veze:

Jednostavna veza

Veza σ, kao što se može vidjeti na slici, formirana je duž internuklearne osi. Iako nije prikazano, A i B mogu imati druge veze, a time i vlastita kemijska okruženja (različite dijelove molekularne strukture). Ovu vrstu veze karakterizira rotacijska snaga (zeleni cilindar) i najjači od svih.

Na primjer, jednostavna veza molekule vodika može se rotirati na internuklearnoj osi (H-H). Isto tako, hipotetska molekula CA-AB može to učiniti.

C-A, A-A i A-B veze rotiraju; ali ako su C ili B atomi ili skupina glomaznih atoma, rotacija A-A je sterički ometena (jer bi se C i B slomili).

Jednostavne veze se nalaze u gotovo svim molekulama. Njihovi atomi mogu imati bilo koju kemijsku hibridizaciju sve dok je preklapanje njihovih orbitala frontalno. Vraćajući se na strukturu vitamina B₁₂, bilo koji pojedinačni redak (-) označava jednu vezu (na primjer, -CONH veze₂).

Dvostruka veza

Dvostruka veza zahtijeva da atomi imaju (obično) sp hibridizaciju². Čista p veza, okomita na tri sp hibridne orbitale², oblikuje dvostruku vezu, koja je prikazana kao sivkasti list.

Imajte na umu da i pojedinačna veza (zeleni cilindar) i dvostruka veza (sivi list) postoje istovremeno. Međutim, za razliku od jednostavnih veza, dublovi nemaju istu slobodu rotacije oko internuklearne osi. To je zato što, za rotiranje, veza (ili list) mora biti slomljena; proces koji zahtijeva energiju.

Također, veza A = B je reaktivnija od A-B. Duljina ove je manja, a atomi A i B su na manjoj internuklearnoj udaljenosti; dakle, postoji veća odbojnost između obje jezgre. Razbijanje obaju veza, pojedinačnih i dvostrukih, zahtijeva više energije nego što je potrebno za razdvajanje atoma u A-B molekuli.

U strukturi vitamina B₁₂ može se promatrati nekoliko dvostrukih veza: C = O, P = O i unutar aromatskih prstenova.

Trostruka veza

Trostruka veza je čak i kraća od dvostruke veze i njena rotacija je energetski slabija. U njemu se formiraju dvije okomite π veze (sivi i ljubičasti listovi), kao i jednostavna veza.

Obično, kemijska hibridizacija atoma A i B mora biti sp: dvije sp orbitale odvojene za 180 °, i dvije čiste p orbitale okomite na prvu. Imajte na umu da trostruka veza nalikuje paleti, ali bez rotacijske snage. Ta se veza može jednostavno predstaviti kao A≡B (N≡N, molekula N-dušika₂).

Od svih kovalentnih veza, to je najreaktivnije; ali u isto vrijeme, onaj koji treba više energije za potpuno razdvajanje svojih atoma (· A: +: B ·). Ako je vitamin B₁₂ imala je trostruku vezu u svojoj molekularnoj strukturi, njezin se farmakološki učinak drastično promijenio.

U trostrukim vezama sudjeluje šest elektrona; u parovima, četiri elektrona; u jednostavnom ili jednostavnom, dva.

Stvaranje jedne ili više ovih kovalentnih veza ovisi o elektroničkoj dostupnosti atoma; to jest, koliko elektrona trebaju svoje orbitale da bi stekli valentni oktet.

Nepolarna veza

Kovalentna veza sastoji se od jednake raspodjele para elektrona između dva atoma. Ali to je strogo točno samo u slučaju kada oba atoma imaju jednake elektronegativnosti; to jest, istu tendenciju da privuku elektronsku gustoću svoje okoline unutar spoja.

Nepolarne veze su karakterizirane razlikom nula elektronegativnosti (ΔE≈0). To se događa u dvije situacije: u homonuklearnom spoju (A₂), ili ako su kemijska okruženja s obje strane veze ekvivalentna (H₃C = CH₃, molekula etana).

Primjeri nepolarnih veza vidljivi su u sljedećim spojevima:

-Vodik (H-H)

-Kisik (O = O)

-Dušik (N≡N)

-Fluor (F-F)

-Klor (Cl-Cl)

-Acetilen (HC≡CH)

Polarne veze

Kada postoji značajna razlika u elektronegativnosti ΔE između oba atoma, duž osi veze formira se dipolni moment: A^δ+-B^δ-. U slučaju heteronuklearnog spoja AB, B je naju elektronegativniji atom i stoga ima najveću elektronsku gustoću δ-; dok je A, najmanje elektronegativan, nedostatak opterećenja δ+.

Da bi se pojavile polarne veze, moraju se spojiti dva atoma s različitim elektronegativima; i stoga, formiraju heteronuklearne spojeve. A-B podsjeća na magnet: ima pozitivan pol i negativni pol. To mu omogućuje interakciju s drugim molekulama preko dipol-dipolnih sila, među kojima su i vodikove veze.

Voda ima dvije polarne kovalentne veze, H-O-H, a njegova molekularna geometrija je kutna, što povećava njegov dipolni trenutak. Ako je njegova geometrija linearna, oceani će ispariti i voda će imati nižu točku ključanja.

Činjenica da spoj ima polarne veze, to ne znači da je polarna. Na primjer, ugljikov tetraklorid, CCl₄, ima četiri C-Cl polarne veze, ali tetraedarskim rasporedom njih dipolni trenutak završava vektorski poništavanjem.

Datorske ili koordinacijske veze

Kada atom daje par elektrona da formira kovalentnu vezu s drugim atomom, tada govorimo o dativnoj ili koordinacijskoj vezi. Na primjer, imajući B: par elektrona dostupnih, i A (ili A⁺), elektroničko upražnjeno mjesto, veza B: A.

U strukturi vitamina B₁₂ pet atoma dušika su vezani za metalno središte Co ovom vrstom kovalentne veze. Ovi dušici daju svoj par slobodnih elektrona kationu Co³⁺, koordiniranje metala s njima (Co³⁺: N-)

Drugi primjer može se naći u protonaciji molekule amonijaka da nastane amonij:

H₃N: + H⁺ => NH₄⁺

Napominjemo da u oba slučaja atom dušika doprinosi elektronima; dakle, kovalentna dativ ili koordinacijska veza nastaje kada sam atom doprinosi paru elektrona.

Slično tome, molekula vode može biti protonirana kako bi se pretvorila u kation kloronika:

H₂O + H⁺ => H₃O⁺

Za razliku od amonijevog kationa, hidronijum još uvijek ima slobodan par elektrona (H₃O:⁺); međutim, vrlo je teško prihvatiti drugi proton za formiranje nestabilnog dihidrogen hidronijuma, H₄O²⁺.

-Jonska veza

Na slici je prikazano bijelo brdo soli. Soli su karakterizirane postojanjem kristalnih struktura, to jest, simetričnih i uređenih; visoka tališta i vrelišta, visoka električna provodljivost pri taljenju ili otapanju, a također, njihovi ioni su snažno vezani elektrostatičkim interakcijama.

Ove interakcije čine ono što je poznato kao ionska veza. U drugoj slici, prikazan je kation A⁺ okružen s četiri aniona B^-, ali ovo je 2D prikaz. U tri dimenzije, A⁺ treba imati druge anione B^- naprijed 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 kao koordinacijski broj (N.C.). Za svaki N.C je povezan tip kristalnog rasporeda, koji pak čini čvrstu fazu soli.

Simetrični i fasetirani kristali koji se vide u solima posljedica su ravnoteže uspostavljene interakcijama privlačenja (A)⁺ B^-i odbijanje (A^{+ +}, B^- B^-) elektrostatski.

trening

Ali, zašto A + i B^-, ili Na⁺ i Cl^-, ne stvaraju Na-Cl kovalentne veze? Jer je atom klora mnogo elektronegativniji od metala natrija, koji je također karakteriziran vrlo lako odustajanjem od svojih elektrona. Kada se nađu ti elementi, reagiraju egzotermički kako bi proizveli kuhinjsku sol:

2Na (s) + Cl₂(g) => 2NaCl (s)

Dva natrijeva atoma daju jedinstveni valentni elektron (Na ·) dijatomejskoj molekuli Cl₂, radi dobivanja Cl aniona^-.

Interakcije između natrijevih kationa i kloridnih aniona, iako predstavljaju slabiju vezu od kovalentnih, mogu ih držati čvrsto vezane u krutini; i ta se činjenica odražava u visokoj točki taljenja soli (801 ° C).

Metalna veza

Posljednja vrsta kemijskog povezivanja je metalik. To se može naći na svakom metalnom ili legiranom komadu. Karakterizira ga posebnost i različitost od drugih, jer elektroni ne prelaze iz jednog atoma u drugi, već putuju, poput mora, kristala metala..

Dakle, metalni atomi, da kažemo bakar, miješaju svoje valentne orbitale jedan s drugim kako bi oblikovali provodne trake; pri čemu elektroni (s, p, d ili f) prolaze oko atoma i drže ih čvrsto vezanim.

Ovisno o broju elektrona koji prolaze kroz metalni kristal, orbitale predviđene za trake i pakiranju njihovih atoma, metal može biti mekan (poput alkalnih metala), tvrd, svijetao ili dobar provodnik električne energije i vrućina.

Sila koja drži zajedno atome metala, kao što su oni koji sačinjavaju malog čovjeka na slici i njegovom prijenosniku, superiorna je onoj od soli..

To se može provjeriti eksperimentalno jer se kristali soli mogu podijeliti na nekoliko polovica prije mehaničke sile; dok je metalni dio (sastavljen od vrlo malih kristala) deformiran.

Primjeri

Sljedeća četiri spoja obuhvaćaju vrste kemijskih veza koje su objašnjene:

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

-Natrij, Na: metalik.

-Fluor, F₂ (F-F): nepolarni kovalentni, jer između oba atoma postoji nula E, jer su identični.

-Vodikov fluorid, HF (H-F): polarni kovalentni, budući da je u ovom spoju fluor elektronegativniji od vodika.

Postoje spojevi kao što je vitamin B₁₂, koji posjeduje i polarne i ionske kovalentne veze (u negativnom naboju njegove fosfatne skupine -PO₄^--). U nekim složenim strukturama, kao što su metalni klasteri, sve ove vrste veza mogu postojati istovremeno.

Materija nudi primjere kemijskih veza u svim njezinim pojavama. Od kamena na dnu ribnjaka i vode koja ga okružuje, do žabe koje krče na njegovim rubovima.

Iako su veze možda jednostavne, broj i prostorni raspored atoma u molekularnoj strukturi otvaraju put bogatoj raznolikosti spojeva.

Važnost kemijske veze

Koja je važnost kemijske veze? Nepredvidivi broj posljedica koje bi oslobodile odsustvo kemijske veze naglašava njegovu ogromnu važnost u prirodi:

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

-Ugljik nije mogao stvoriti svoje beskrajne lance, od kojih su izvedeni bilioni organskih i bioloških spojeva.

-Proteini se ne mogu ni definirati u njihovim sastavnim aminokiselinama. Šećeri i masti bi nestali, kao i svi ugljikovi spojevi u živim organizmima.

-Zemlja bi ostala bez atmosfere, jer u odsustvu kemijskih veza u njegovim plinovima ne bi bilo sile da ih se drži zajedno. Niti bi postojala i najmanja intermolekularna interakcija između njih.

-Planine bi mogle nestati, jer njihove stijene i minerali, iako teški, nisu mogli sadržavati svoje atome pakirane unutar njihovih kristalnih ili amorfnih struktura.

-Svijet bi nastao usamljenim atomima koji ne bi mogli formirati čvrste ili tekuće tvari. To bi također rezultiralo nestankom svih transformacija materije; to jest, ne bi bilo kemijske reakcije. Samo prolazni plinovi posvuda.

reference

1. Harry B. Gray. (1965). Elektroni i kemijsko spajanje. W. A. BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izdanje). CENGAGE Learning, str. 233, 251, 278, 279.
3. Brod R. (2016). Kemijsko spajanje. Preuzeto s: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Vrste kemijskih veza. (3. listopada 2006.) Preuzeto iz: dwb4.unl.edu
5. Formiranje kemijskih veza: Uloga elektrona. [PDF]. Preuzeto s: cod.edu
6. Temelj CK-12. (N. D.). Stvaranje energije i kovalentne veze. Preuzeto s: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Kovalentna veza koordinirana ili dativna. Preuzeto s: quimitube.com