Hvorfor kan atomer kombineres med hverandre for å danne molekyler? Hva er årsaken til den mulige eksistensen av stoffer, som inkluderer atomer av helt forskjellige kjemiske elementer? Dette er globale spørsmål som påvirker de grunnleggende konseptene til moderne fysisk og kjemisk vitenskap. Du kan svare på dem, ha en ide om den elektroniske strukturen til atomer og kjenne egenskapene til den kovalente bindingen, som er det grunnleggende grunnlaget for de fleste klasser av forbindelser. Hensikten med artikkelen vår er å bli kjent med mekanismene for dannelse av ulike typer kjemiske bindinger og egenskapene til egenskapene til forbindelser som inneholder dem i molekylene deres.
Elektronisk struktur av atomet
Elektronøytrale partikler av materie, som er dens strukturelle elementer, har en struktur som speiler strukturen til solsystemet. Når planetene kretser rundt den sentrale stjernen - Solen, beveger elektronene i atomet seg rundt den positivt ladede kjernen. Å pregeI en kovalent binding vil elektronene som befinner seg på det siste energinivået og det fjernest fra kjernen være betydelige. Siden deres forbindelse med sentrum av deres eget atom er minimal, kan de lett tiltrekkes av kjernene til andre atomer. Dette er svært viktig for forekomsten av interatomiske interaksjoner som fører til dannelse av molekyler. Hvorfor er molekylformen hovedtypen for eksistens av materie på planeten vår? La oss finne det ut.
Grunnleggende egenskap til atomer
Evnen til elektrisk nøytrale partikler til å samhandle, noe som fører til en økning i energi, er deres viktigste funksjon. Faktisk, under normale forhold, er den molekylære tilstanden til materie mer stabil enn atomtilstanden. Hovedbestemmelsene i moderne atom- og molekylærteori forklarer både prinsippene for dannelsen av molekyler og egenskapene til en kovalent binding. Husk at det ytre energinivået til et atom kan inneholde fra 1 til 8 elektroner, i sistnevnte tilfelle vil laget være komplett, noe som betyr at det vil være veldig stabilt. Atomer av edle gasser har en slik ytre nivåstruktur: argon, krypton, xenon - inerte elementer som fullfører hver periode i systemet til D. I. Mendeleev. Unntaket her er helium, som ikke har 8, men kun 2 elektroner på det siste nivået. Årsaken er enkel: i den første perioden er det bare to grunnstoffer hvis atomer har et enkelt elektronlag. Alle andre kjemiske grunnstoffer har fra 1 til 7 elektroner på det siste, ufullstendige laget. I prosessen med å samhandle med hverandre vil atomenestrebe etter å bli fylt med elektroner opp til en oktett og gjenopprette konfigurasjonen til et atom i et inert element. En slik tilstand kan oppnås på to måter: ved å miste sine egne eller ved å akseptere fremmede negativt ladede partikler. Disse formene for interaksjon forklarer hvordan man bestemmer om en ionisk eller kovalent binding vil dannes mellom de reagerende atomene.
Mekanismer for dannelse av en stabil elektronisk konfigurasjon
La oss forestille oss at to enkle stoffer inngår i reaksjonen til forbindelsen: metallisk natrium og gassformig klor. Et stoff av klassen s alter dannes - natriumklorid. Den har en ionisk type kjemisk binding. Hvorfor og hvordan oppsto det? La oss igjen gå til strukturen til atomene til de opprinnelige stoffene. Natrium har bare ett elektron på det siste laget, svakt bundet til kjernen på grunn av atomets store radius. Ioniseringsenergien til alle alkalimetaller, som inkluderer natrium, er lav. Derfor forlater elektronet på det ytre nivå energinivået, tiltrekkes av kjernen til kloratomet og forblir i dets rom. Dette skaper en presedens for overgangen av Cl-atomet til form av et negativt ladet ion. Nå har vi ikke lenger å gjøre med elektrisk nøytrale partikler, men med ladede natriumkationer og kloranioner. I samsvar med fysikkens lover oppstår elektrostatiske tiltrekningskrefter mellom dem, og forbindelsen danner et ionisk krystallgitter. Mekanismen for dannelse av den ioniske typen av en kjemisk binding som vi vurderer, vil bidra til å klargjøre de spesifikke og hovedkarakteristikkene til en kovalent binding tydeligere.
Delte elektronpar
Hvis det oppstår en ionisk binding mellom atomer av elementer som er svært forskjellige i elektronegativitet, dvs. metaller og ikke-metaller, så oppstår den kovalente typen når atomer av samme eller forskjellige ikke-metalliske grunnstoffer interagerer. I det første tilfellet er det vanlig å snakke om ikke-polar, og i det andre om den polare formen av en kovalent binding. Mekanismen for deres dannelse er vanlig: hvert av atomene gir delvis elektroner til vanlig bruk, som er kombinert i par. Men det romlige arrangementet av elektronpar i forhold til atomkjernene vil være annerledes. På dette grunnlaget skilles typene av kovalente bindinger - ikke-polare og polare. Oftest, i kjemiske forbindelser som består av atomer av ikke-metalliske elementer, er det par som består av elektroner med motsatte spinn, dvs. roterer rundt kjernene deres i motsatte retninger. Siden bevegelsen av negativt ladede partikler i rommet fører til dannelsen av elektronskyer, som til slutt ender i deres gjensidige overlapping. Hva er konsekvensene av denne prosessen for atomer og hva fører den til?
Fysiske egenskaper til en kovalent binding
Det viser seg at mellom sentrene til to samvirkende atomer er det en to-elektronsky med høy tetthet. De elektrostatiske tiltrekningskreftene mellom selve den negativt ladede skyen og atomkjernene øker. En del av energien frigjøres og avstandene mellom atomsentre reduseres. For eksempel, ved begynnelsen av dannelsen av et molekyl H2 avstanden mellom kjernene til hydrogenatomerer 1,06 A, etter overlapping av skyer og dannelsen av et felles elektronpar - 0,74 A. Eksempler på en kovalent binding dannet i henhold til mekanismen ovenfor kan finnes både blant enkle og komplekse uorganiske stoffer. Dets viktigste kjennetegn er tilstedeværelsen av vanlige elektronpar. Som et resultat, etter fremveksten av en kovalent binding mellom atomer, for eksempel hydrogen, får hver av dem den elektroniske konfigurasjonen av inert helium, og det resulterende molekylet har en stabil struktur.
romlig form av et molekyl
En annen svært viktig fysisk egenskap ved en kovalent binding er retningsevne. Det avhenger av den romlige konfigurasjonen til stoffmolekylet. For eksempel, når to elektroner overlapper med en sfærisk sky, er utseendet til molekylet lineært (hydrogenklorid eller hydrogenbromid). Formen på vannmolekyler, der s- og p-skyer hybridiserer, er kantete, og veldig sterke partikler av gassformig nitrogen ser ut som en pyramide.
Struktur av enkle stoffer - ikke-metaller
Etter å ha funnet ut hva slags binding som kalles kovalent, hvilke tegn den har, er det nå på tide å ta et oppgjør med variantene. Hvis atomer av samme ikke-metall - klor, nitrogen, oksygen, brom, etc., interagerer med hverandre, dannes de tilsvarende enkle stoffene. Deres vanlige elektronpar er plassert i samme avstand fra sentrene til atomer, uten å forskyve seg. For forbindelser med en ikke-polar type kovalent binding er følgende egenskaper iboende: lavt kokepunkt ogsmelting, uløselighet i vann, dielektriske egenskaper. Deretter skal vi finne ut hvilke stoffer som er karakterisert ved en kovalent binding, der det skjer en forskyvning av vanlige elektronpar.
Elektronegativitet og dens effekt på typen kjemisk binding
Egenskapen til et bestemt grunnstoff for å tiltrekke seg elektroner fra et atom til et annet grunnstoff i kjemi kalles elektronegativitet. Verdiskalaen for denne parameteren, foreslått av L. Pauling, kan finnes i alle lærebøker om uorganisk og generell kjemi. Den høyeste verdien - 4,1 eV - har fluor, den minste - andre aktive ikke-metaller, og den laveste indikatoren er typisk for alkalimetaller. Hvis elementer som er forskjellige i deres elektronegativitet reagerer med hverandre, vil uunngåelig en, mer aktiv, tiltrekke negativt ladede partikler av et atom av et mer passivt element til kjernen. Dermed avhenger de fysiske egenskapene til en kovalent binding direkte av elementenes evne til å donere elektroner til vanlig bruk. De resulterende fellesparene er ikke lenger lokalisert symmetrisk i forhold til kjernene, men forskyves mot det mer aktive elementet.
Funksjoner av forbindelser med en polar binding
Stoffer i molekyler hvor felles elektronpar er asymmetriske med hensyn til atomkjerner inkluderer hydrogenhalogenider, syrer, forbindelser av kalkogener med hydrogen og sure oksider. Dette er sulfat- og nitratsyrer, oksider av svovel og fosfor, hydrogensulfid osv. Et hydrogenkloridmolekyl inneholder for eksempel ett vanlig elektronpar,dannet av uparrede elektroner av hydrogen og klor. Det forskyves nærmere sentrum av Cl-atomet, som er et mer elektronegativt element. Alle stoffer med en polar binding i vandige løsninger dissosieres til ioner og leder en elektrisk strøm. Forbindelser som har en polar kovalent binding, som vi har gitt eksempler på, har også høyere smelte- og kokepunkter sammenlignet med enkle ikke-metalliske stoffer.
Metoder for å bryte kjemiske bindinger
I organisk kjemi følger substitusjonsreaksjonene av mettede hydrokarboner med halogener en radikal mekanisme. En blanding av metan og klor i lyset og ved vanlig temperatur reagerer på en slik måte at klormolekylene begynner å splitte seg til partikler som bærer uparede elektroner. Med andre ord observeres ødeleggelsen av det vanlige elektronparet og dannelsen av svært aktive radikaler -Cl. De er i stand til å påvirke metanmolekyler på en slik måte at de bryter den kovalente bindingen mellom karbon- og hydrogenatomer. En aktiv partikkel -H dannes, og den frie valensen til karbonatomet tar på seg et klorradikal, og klormetan blir det første produktet av reaksjonen. En slik mekanisme for sp altning av molekyler kalles homolytisk. Hvis det vanlige elektronparet fullstendig går over i besittelse av et av atomene, snakker de om en heterolytisk mekanisme som er karakteristisk for reaksjoner som finner sted i vandige løsninger. I dette tilfellet vil polare vannmolekyler øke ødeleggelseshastigheten for de kjemiske bindingene til den oppløste forbindelsen.
Dobbel og trippellenker
De aller fleste organiske stoffer og noen uorganiske forbindelser inneholder ikke ett, men flere vanlige elektronpar i molekylene sine. Multiplisiteten til den kovalente bindingen reduserer avstanden mellom atomer og øker stabiliteten til forbindelser. De blir vanligvis referert til som kjemisk resistente. For eksempel, i et nitrogenmolekyl er det tre par elektroner, de er indikert i strukturformelen med tre streker og bestemmer styrken. Det enkle stoffet nitrogen er kjemisk inert og kan reagere med andre forbindelser, som hydrogen, oksygen eller metaller, bare ved oppvarming eller ved forhøyet trykk, samt i nærvær av katalysatorer.
Dobbelt- og trippelbindinger er iboende i slike klasser av organiske forbindelser som umettede dienhydrokarboner, samt stoffer i etylen- eller acetylenserien. Multippelbindinger bestemmer de viktigste kjemiske egenskapene: addisjons- og polymerisasjonsreaksjoner som skjer ved bruddpunktene.
I artikkelen vår ga vi en generell beskrivelse av den kovalente bindingen og undersøkte hovedtypene.
