ХИМИЧНА ВРЪЗКА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК СЕ ОБРАЗУВАТ, ВИДОВЕ - ХИМИЯ - 2025

Най- химичната връзка е силата, която успява да държи заедно атомите, които изграждат материята. Всеки тип материя има характерна химическа връзка, която се състои в участието на един или повече електрони. Така силите, които свързват атомите в газовете, са различни, например от металите.

Всички елементи на периодичната таблица (с изключение на хелия и леките благородни газове) могат да образуват химически връзки помежду си. Природата на тях обаче се променя в зависимост от това от кои елементи произхождат електроните. Основен параметър за обяснение на типа връзки е електронегативността.

Източник: От Ymwang42 (беседа).Ymwang42 от en.wikipedia, от Wikimedia Commons

Разликата в електроотрицателността (ΔE) между два атома определя не само вида на химическата връзка, но и физикохимичните свойства на съединението. Солите се характеризират с това, че имат йонни връзки (високо ΔE), а много от органичните съединения, като витамин В ₁₂ (горно изображение), имат ковалентни връзки (ниски ΔE).

Във висшата молекулна структура всяка от линиите представлява ковалентна връзка. Клиновете показват, че връзката излиза от равнината (към четеца), а подчертаните зад равнината (далеч от четеца). Обърнете внимание, че има двойни връзки (=) и кобалтов атом, координирани с пет азотни атома и R странична верига.

Но защо се образуват такива химически връзки? Отговорът се крие в енергийната стабилност на участващите атоми и електрони. Тази стабилност трябва да балансира електростатичните отблъсквания, изпитвани между електронните облаци и ядра, и привличането, упражнявано от ядро ​​върху електроните на съседния атом.

Определение на химическата връзка

Много автори са дали определения на химическата връзка. От всички тях най-важното беше това на физикохимика Г. Н. Люис, който определи химическата връзка като участието на двойка електрони между два атома. Ако атомите A · и · B могат да допринесат за един електрон, тогава единичната връзка A: B или A - B ще се образува между тях.

Преди образуването на връзка, и А, и В са разделени с неопределено разстояние, но при свързването вече има сила, която ги държи заедно в диатомичното съединение АВ и разстояние (или дължина) на връзка.

характеристики

Източник: Габриел Боливар

Какви са характеристиките на тази сила, която държи атомите заедно? Те зависят повече от вида на връзката между А и В, отколкото от техните електронни структури. Например връзка A - B е насочена. Какво означава? Че силата, упражнена от обединението на двойката електрони, може да бъде представена на ос (сякаш е цилиндър).

Също така тази връзка изисква енергия за разкъсване. Това количество енергия може да бъде изразено в единици kJ / mol или cal / mol. След като бъде приложена достатъчно енергия за съединение АВ (например чрез топлина), тя ще се раздели на първоначалните А · и · В атоми.

Колкото по-стабилна е връзката, толкова повече енергия е необходима за разделяне на свързаните атоми.

От друга страна, ако връзката в съединение AB беше йонна, A ⁺ B ^-, това щеше да е непосочена сила. Защо? Тъй като A ⁺ упражнява атрактивна сила върху B ^- (и обратно), която зависи повече от разстоянието, което разделя и двата йона в пространството, отколкото от относителното им местоположение.

Това поле на привличане и отблъскване обединява други йони, за да образува това, което е известно като кристална решетка (горно изображение: А ⁺ катионът е заобиколен от четири В ^- аниона, а те са заобиколени от четири А ⁺ катиона и т.н.).

Как се образуват химичните връзки?

Амомоядрени съединения на АА

Източник: Габриел Боливар

За да могат двойката електрони да образуват връзка, има много неща, които трябва да бъдат разгледани първо. Ядрата, казват тези на А, имат протони и затова са положителни. Когато два А атома са много далеч един от друг, тоест на голямо междуядрено разстояние (горно изображение), те не изпитват никакво привличане.

Докато двата А-атома се приближават до ядрата си, те привличат електронния облак на съседния атом (лилавия кръг). Това е силата на привличане (А на съседния лилав кръг). Двете ядра на А обаче се отблъскват взаимно, защото са положителни и тази сила увеличава потенциалната енергия на връзката (вертикална ос).

Има междуядрено разстояние, при което потенциалната енергия достига минимум; т. е. двете привлекателни и отблъскващи сили (двата А атома в долната част на изображението) са балансирани.

Ако след тази точка това разстояние намалее, връзката ще доведе до силно отблъскване на двете ядра взаимно, дестабилизирайки съединението АА.

Така че, за да се образува връзката, трябва да има енергийно адекватно междуядрено разстояние; и освен това, атомните орбитали трябва да се припокриват правилно, за да се свържат електроните.

Хетеронуклеарни съединения AB

Какво става, ако вместо два атома на A се присъединят един от A и другият от B? В този случай горната графика би се променила, тъй като един от атомите би имал повече протони от другия и електронните облаци биха имали различни размери.

Тъй като А-В връзката се образува на подходящото междуядрено разстояние, електронната двойка ще бъде открита главно в близост до най-електроотрицателния атом. Такъв е случаят с всички хетероядрени химически съединения, които съставляват огромното мнозинство от известните (и ще бъдат известни).

Въпреки че не се споменава в дълбочина, има многобройни променливи, които пряко влияят върху начина на приближаване на атомите и формирането на химичните връзки; някои са термодинамични (реакцията спонтанна?), електронни (колко пълни или празни са орбиталите на атомите), а други кинетични.

Видове химични връзки

Връзките имат поредица от характеристики, които ги отличават една от друга. Няколко от тях могат да бъдат поставени в три основни класификации: ковалентна, йонна или метална.

Въпреки че има съединения, чиито връзки принадлежат към един тип, много всъщност се състоят от смесица от символи на всеки. Този факт се дължи на разликата в електроотрицателността между атомите, които образуват връзките. По този начин, някои съединения могат да бъдат ковалентни, но да имат някакъв йонски характер в своите връзки.

По същия начин видът на връзката, структурата и молекулната маса са ключови фактори, които определят макроскопичните свойства на материята (яркост, твърдост, разтворимост, точка на топене и др.).

-Ковалентна връзка

Ковалентните облигации са тези, които са обяснени досега. В тях две орбитали (по един електрон във всяка) трябва да се припокриват с ядрата, разделени с подходящо междуядрено разстояние.

Според теорията на молекулярната орбитала (ТОМ), ако припокриването на орбиталите е челно, ще се образува сигма σ връзка (която също се нарича проста или проста връзка). Докато ако орбиталите са образувани от странични и перпендикулярни припокривания по отношение на междуядрената ос, ще имаме π връзките (двойни и тройни):

Източник: Габриел Боливар

Проста връзка

Σ връзката, както може да се види на изображението, се образува по протежение на междуядрената ос. Въпреки че не са показани, А и В могат да имат други връзки и следователно собствена химическа среда (различни части от молекулната структура). Този тип връзки се характеризират със силата на въртене (зелен цилиндър) и с това, че са най-силните от всички.

Например, единичната връзка във водородната молекула може да се върти около междуядрената ос (H - H). По същия начин, хипотетична CA - AB молекула може.

Връзки C - A, A - A и A - B се въртят; но ако С или В са атоми или група от обемисти атоми, въртенето на А - А е стерилно затруднено (защото С и В биха се сблъскали).

Единични връзки се намират на практика във всички молекули. Атомите му могат да имат всякаква химическа хибридизация, стига припокриването на техните орбитали да е челно. Връщайки се към структурата на витамин B ₁₂, всеки един ред (-) показва единична връзка (например връзките –CONH ₂).

Двойна връзка

Двойна свързване изисква атомите да (обикновено) SP ² хибридизира. Чистата p връзка, перпендикулярна на трите sp ² хибридни орбитали, образува двойната връзка, която е показана като сив лист.

Обърнете внимание, че едновременната връзка (зелен цилиндър) и двойната връзка (сив лист) съществуват едновременно. Въпреки това, за разлика от единичните връзки, двойните връзки нямат еднаква свобода на въртене около междуядрената ос. Това е така, защото, за да се завърти, връзката (или фолиото) трябва да се прекъсне; процес, който се нуждае от енергия.

Също така, връзката A = B е по-реактивна от A - B. Дължината му е по-къса и атомите А и В са на по-кратко междуядрено разстояние; следователно, има по-голямо отблъскване между двете ядра. Прекъсването както на единичните, така и на двойните връзки изисква повече енергия, отколкото е необходимо за разделяне на атомите в молекулата А - В.

В структурата на витамин B ₁₂ могат да се наблюдават няколко двойни връзки: C = O, P = O и в рамките на ароматните пръстени.

Тройна връзка

Тройната връзка е дори по-къса от двойната връзка и нейното въртене е по-силно затруднено. В него се образуват две π връзки, перпендикулярни една на друга (сивкави и лилави листа), както и единична връзка.

Обикновено химическата хибридизация на атомите на A и B трябва да бъде sp: две sp орбитали на разстояние 180 ° и две чисти p орбитали, перпендикулярни на първата. Обърнете внимание, че тройна връзка изглежда като гребло, но без ротационна сила. Тази връзка може да бъде представена само като A≡B (N≡N, азот молекула N ₂).

От всички ковалентни връзки това е най-реактивното; но в същото време тази, която се нуждае от повече енергия за пълно разделяне на своите атоми (· A: +: B ·). Ако витамин В ₁₂ имаше тройна връзка в молекулярната си структура, неговият фармакологичен ефект би се променил драстично.

Шест електрона участват в тройни връзки; в двойки, четири електрона; и в простото или просто, две.

Образуването на една или повече от тези ковалентни връзки зависи от електронната наличност на атомите; тоест колко електрони имат своите орбитали, за да придобият един октет на валентност.

Неполярна връзка

Ковалентната връзка се състои в равно споделяне на двойка електрони между два атома. Но това е строго вярно само в случая, когато и двата атома имат еднакви електроотрицателности; тоест същата тенденция за привличане на електронна плътност от обкръжението й в съединение.

Неполярните връзки се характеризират с нулева разлика в електронегативността (ΔE≈0). Това се случва в две положения: в хомоядрени съединение (А ₂), или ако химически среди от двете страни на връзката, са еквивалентни (H ₃ C - СН ₃, етан молекула).

Примери за неполярни връзки се виждат в следните съединения:

-Водород (H-H)

-Кислород (0 = 0)

-Азот (N≡N)

-Флуор (F - F)

-Хлоро (Cl - Cl)

-Ацетилен (HC≡CH)

Полярни връзки

Когато има подчертана разлика в електроотрицателност ΔE между двата атома, по оста на връзката се образува диполен момент: A ^{δ +} –B ^δ-. В случая на хетероядреното съединение AB, В е най-електронегативният атом и следователно той има по-висока електронна плътност δ-; докато А, най-малко електроотрицателен, има дефицит на δ + заряд.

За да се появят полярни връзки, два атома с различни електроотрицателности трябва да се присъединят; и по този начин образуват хетероядрени съединения. A - B прилича на магнит: има положителен и отрицателен полюс. Това му позволява да взаимодейства с други молекули чрез дипол-диполни сили, сред които са водородните връзки.

Водата има две полярни ковалентни връзки, H - O - H, а молекулярната й геометрия е ъглова, което увеличава диполния му момент. Ако геометрията му беше линейна, океаните щяха да се изпарят и водата ще има по-ниска точка на кипене.

Фактът, че съединението има полярни връзки , не означава, че то е полярно. Например, тетрахлорметан, ССЦ ₄, има четири полярни CCL връзки, но поради тяхната четиристенен конструкция момента дипол завършва се vectorially отменено.

Дативни или координационни връзки

Когато един атом се откаже от двойка електрони, за да образува ковалентна връзка с друг атом, тогава говорим за дативна или координационна връзка. Например, като има B: наличната електронна двойка и A (или A ⁺), електронна ваканция, връзката B: A се формира.

В структурата на витамин B ₁₂ петте азотни атома са свързани с металния център на Co чрез този вид ковалентна връзка. Тези нитрогени се отказват от двойката си свободни електрони на катиона Co ³⁺, като металът координира с тях (Co ³⁺: N–)

Друг пример може да се намери в протонирането на амонячна молекула за образуване на амоняк:

Н ₃ М + Н ⁺ => NH ₄ ⁺

Обърнете внимание, че и в двата случая азотният атом допринася за електроните; следователно, ковалентната връзка на датив или координация възниква, когато един атом само допринася за двойката електрони.

По същия начин водната молекула може да бъде протонирана да се превърне в хидрониевия (или оксониевия) катион:

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

За разлика от амониевия катион, хидроният все още има свободна двойка електрони (H ₃ O: ⁺); обаче, е много трудно да приеме друга протон за образуване на нестабилен хидрониев дикатион, Н ₄ О ²⁺.

-Ионна връзка

Източник: Pixabay

На снимката е бял хълм от сол. Солите се характеризират с това, че имат кристални структури, тоест симетрични и подредени; високи точки на топене и кипене, висока електрическа проводимост при топене или разтваряне, а също така, нейните йони са силно свързани от електростатични взаимодействия.

Тези взаимодействия съставят онова, което е известно като йонна връзка. На второто изображение е показан катион A ^+, заобиколен от четири B ^- аниона, но това е 2D представяне. В три измерения A ⁺ трябва да има други B аниони ^- пред и зад равнината, образувайки различни структури.

Така A ⁺ може да има шест, осем или дори дванадесет съседи. Броят на съседите, заобикалящи йон в кристал, е известен като координационен номер (NC). За всеки NC е свързан вид кристално устройство, което от своя страна представлява твърда фаза на солта.

Симетричните и фасетирани кристали, които се наблюдават в солите, се дължат на равновесието, установено от електростатичните взаимодействия на привличане (A ⁺ B ^-) и отблъскване (A ⁺ A ⁺, B ^- B ^-).

обучение

Но защо A + и B ^- или Na ⁺ и Cl ^{- не} образуват Na-Cl ковалентни връзки? Тъй като атомът на хлора е много по-електроотрицателен от натриевия метал, който също се характеризира с това, че много лесно се отказва от своите електрони. Когато тези елементи се срещнат, те реагират екзотермично за получаване на трапезна сол:

2Na (и) + Cl ₂ (г) => 2NaCl (и)

Две натриеви атоми откажат единна валентност електрон (Na ·) към молекула, молекула на Cl ₂, образувайки по този начин Cl ^- аниони.

Взаимодействията между натриевите катиони и хлоридните аниони, въпреки че представляват по-слаба връзка от ковалентните, са способни да ги поддържат силно обединени в твърдото вещество; и този факт се отразява във високата точка на топене на солта (801ºC).

Метална връзка

Източник: Pixnio

Последният от видовете химични връзки е метален. Това може да се намери във всяка метална или сплавна част. Характеризира се с това, че е специален и различен от останалите, поради факта, че електроните не преминават от един атом в друг, а по-скоро пътуват, като море, през кристала на металите.

По този начин металните атоми, да се каже мед, смесват валентните си орбитали помежду си, за да образуват проводими ленти; чрез които електрони (s, p, dof) преминават около атомите и ги държат плътно заедно.

В зависимост от броя на електроните, които преминават през металния кристал, предвидените орбитали за лентите и опаковката на неговите атоми, металът може да бъде мек (като алкални метали), твърд, лъскав или добър проводник на електричество и горещо.

Силата, която държи заедно атомите на металите, като тези, които съставляват малкия човек на изображението и неговия лаптоп, е по-голяма от тази на солите.

Това може да се провери експериментално, защото кристалите на солите могат да бъдат разделени на няколко половини преди механична сила; като има предвид, че метално парче (съставено от много малки кристали) се деформира.

Примери за връзки

Следните четири съединения обхващат обяснените видове химически връзки:

-Натриев флуорид, NaF (Na ⁺ F ^-): йонен.

-Натрий, Na: метален.

-Флуор, F ₂ (F - F): неполярен ковалентна, поради факта, че е нула ЛЕ между двата атома, защото те са идентични.

-Водороден флуорид, HF (H-F): полярна ковалентна, тъй като в това съединение флуорът е по-електроотрицателен от водорода.

Има съединения като витамин В ₁₂, които имат както полярна, така и йонна ковалентна връзка (в отрицателния заряд на неговата фосфатна група –PO ₄ ^- -). В някои сложни структури, като тази на метални клъстери, всички тези видове връзки могат дори да съществуват съвместно.

Материята предлага във всичките си прояви примери за химически връзки. От камъка в дъното на езерце и водата, която го заобикаля, до жабите, които се извиват по краищата му.

Въпреки че връзките може да са прости, броят и пространственото разположение на атомите в молекулната структура правят място за богато разнообразие от съединения.

Значение на химическата връзка

Какво е значението на химическата връзка? Несъизмеримият брой последици, които би отключила липсата на химическа връзка, подчертава нейното огромно значение в природата:

-Без него цветове не биха съществували, тъй като електроните му не биха абсорбирали електромагнитно излъчване. Праховите и ледените частици, присъстващи в атмосферата, биха изчезнали и следователно синият цвят на небето щеше да стане тъмен.

- Въглеродът не може да образува своите безкрайни вериги, от които черпят милиарди органични и биологични съединения.

- Протеините дори не могат да бъдат определени в съставните им аминокиселини. Захарите и мазнините биха изчезнали, както и всички въглеродни съединения в живите организми.

- Земята нямаше да има атмосфера, защото при липса на химически връзки в газовете си, нямаше да има сила, която да ги държи заедно. Нито би имало и най-малкото междумолекулно взаимодействие между тях.

-Гори могат да изчезнат, защото техните скали и минерали, макар и тежки, не можеха да съдържат своите атоми, опаковани вътре в техните кристални или аморфни структури.

-Светът ще се състои от единични атоми, неспособни да образуват твърди или течни вещества. Това би довело и до изчезването на цялата трансформация на материята; тоест няма да има химическа реакция. Просто мимолетни газове навсякъде.

Препратки

1. Хари Б. Грей. (1965). Електрони и химично свързване. WA BENJAMIN, INC. Р 36-39.
2. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 233, 251, 278, 279.
3. Nave R. (2016). Химично свързване. Възстановени от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Видове химични връзки. (3 октомври 2006 г.). Взето от: dwb4.unl.edu
5. Формиране на химични връзки: Ролята на електроните., Възстановено от: cod.edu
6. Фондация CK-12. (SF). Формиране на енергия и ковалентна връзка. Възстановено от: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012 г.). Координатна или дативна ковалентна връзка. Възстановено от: quimitube.com