Drobiny chemiczne występują w postaci atomowej – niezwiązanej lub w postaci związanej z innymi lub jednoimiennymi. Dziś pomówimy o wiązaniach chemicznych – wiązaniu kowalencyjnym (spolaryzowanym i nie), jonowym i metalicznym, a więc także o drobinach, które mają zdolność je tworzyć i o wynikających z rodzajów wiązań właściwościach cząsteczek lub związków.
Wiązanie chemiczne
Warunkiem do utworzenia wiązania chemicznego przez atomy pierwiastków chemicznych jest posiadanie elektronów którymi dany atom chciałby się podzielić z innym, oddać je lub z drugiej strony być chętnym, aby jakieś przyjąć.
Wiemy już od gimnazjum, że swój wymarzony stan optymalny energetycznie w układzie okresowym osiągnęły jedynie gazy szlachetne. Mają tyle elektronów ile im potrzeba, to znaczy odpowiednio do swojej ostatniej powłoki elektronowej osiągnęły dublet lub oktet elektronowy. Reszta pierwiastków dążąc do takiego stanu tworzy wiązania i wspólnymi siłami atomy tworzą dublety i oktety.
Wiązanie kowalencyjne (atomowe) niespolaryzowane
Pierwszy rodzaj wiązania dotyczy dwóch atomów które różnią się nieznacznie elektroujemnością w skali Paulinga. Widełkami którymi możemy się sugerować przy określaniu wiązania jest różnica w granicach 0 – 0,4 (elektroujemność każdego pierwiastka w skali Paulinga znajdziemy w układzie okresowym, a kilka słów o niej pojawi się jeszcze w tym artykule). W wiązaniu tym dochodzi do sparowania elektronów dwóch atomów pierwiastków i ich uwspólnienia. Elektrony tworzące wiązanie w tym przypadku są przyciągane przez każde z jąder atomu z taką samą siłą. Jądra możemy wyobrazić sobie jako dwa magnesy, każdy od takiej samej zdolności do przyciągania elektronów. W takim przypadku uwspólniona para znajduje się między dwoma atomami – żaden z nich nie jest w stanie przyciągnąć elektronów do siebie:
Zerknijmy na przykład tworzenia wiązania o którym mówimy przez dwa atomy tego samego pierwiastka (stąd wiemy, że różnica elektroujemności będzie 0). Gdybyśmy przeprowadzili linię od środka jednego jądra atomu do środka drugiego, para elektronowa tworząca wiązania byłaby dokładnie w połowie tej linii. To zasadnicza różnica między kolejnym rodzajem wiązań.
Wiązanie kowalencyjne (atomowe) spolaryzowane
Jak już zostało wspomniane w przykładzie powyżej zasadniczą różnicą między wiązaniami spolaryzowanym i niespolaryzowanym, będzie to czy elektrony tworzące dane wiązanie są przyciągane do obu jąder atomów tworzących to wiązanie z taką samą siłą i będą znajdować się w połowie między nimi (wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane), czy któryś z atomów będzie przyciągał je silniej i znajdą się bliżej jego jądra (wiązanie kowalencyjne spolaryzowane). Wtedy właśnie mówimy o polaryzacji wiązania. Kiedy ma miejsce zjawisko polaryzacji? Wtedy, gdy atomy tworzące wiązanie różnią się znacznie elektroujemnością (powyżej 0,4 w skali Paulinga). Należy się teraz zastanowić, w którym kierunku zostanie przesunięta para elektronów. Tu z pomocą przyjdzie nam wspominana elektroujemność. Elektroujemność to siła, z jaką atom danego pierwiastka przyciąga do siebie elektrony. Elektrony tworzące wiązanie kowalencyjne spolaryzowane będą zatem przyciągane mocniej przez atomy pierwiastków o wyższej elektroujemności i będą się znajdować bliżej nich. To właśnie jest polaryzacja wiązania w stronę atomu chętniej przyciągającego elektrony.
Klasycznym przykładem takiego wiązania jest wiązanie między atomami tlenu i wodoru w cząsteczka wody. Strzałki wskazują kierunek polaryzacji (przesunięcia elektronów).
Wiązania tej cząsteczki są spolaryzowane, a dodatkowo cząsteczka jest również polarna.
Polaryzacja wiązania a polarność cząsteczki
Ważne jednak, by nie mylić tych dwóch pojęć tj.: polarności wiązania z polarnością całej cząsteczki. Nie wszystkie cząsteczki tworzące wiązania spolaryzowane są cząsteczkami polarnymi. By wiedzieć, czy cząsteczka jest polarna musimy się zastanowić czy jesteśmy w stanie wyznaczyć region w którym cząsteczka ma ładunek dodatni i taki w którym ładunek jest ujemny oraz jedną klarowną granicę między przeciwnymi biegunami. Zestawmy więc ze sobą wodę i tetrachlorometan.
Widzimy więc teraz cząsteczki w których mamy wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Ale tylko cząsteczka wody jest polarna. Dlaczego? Atom tlenu przyciąga do siebie dwie pary elektronowe, więc mamy przy nim cząstkowy ładunek ujemny, a przy atomach wodoru cząstkowy ładunek dodatni. W tym przypadku bez problemu można wyznaczyć jasną granicę między biegunem dodatnim i ujemnym. Cząsteczka jest więc polarna, tworzy się tzw. dipol.
W przypadku tetrachlorometanu posiadamy cztery wiązania spolaryzowane. Jednak nie jest to cząsteczka polarna. Nie da jej się podzielić na jeden region naładowany ujemnie i jeden dodatnio, czy też wyznaczyć granicy pomiędzy nimi. Wyobraźmy sobie, że rozgrywają się tu dwie równoległe konkurencje przeciągania liny: jeden między atomami chloru po prawej i po lewej, a jeden między atomami chloru u góry i u dołu (pamiętajmy jednak, że nie jest to faktyczny wygląd cząsteczki w przestrzeni). W każdym tym pojedynku atomy chloru ciągną uwspólnione z atomem węgla elektrony z taką samą siłą do siebie i wzajemnie się równoważą. Nie ma tutaj “silniejszego” atomu chloru. Dlatego też nie jest to cząsteczka polarna.
Wiązanie koordynacyjne – szczególny przypadek wiązania kowalencyjnego spolaryzowanego
Wiązanie koordynacyjne (zwane również akceptorowo-donorowym) stanowi osobny punkt artykułu, ponieważ jest dość specyficzne. Tak jak mówi nagłówek, wiązanie koordynacyjne jest wiązaniem kowalencyjnym. Maturzyści często popełniają błąd przy jego opisie, dlatego warto zwrócić na nie szczególną uwagę.
Teraz skupimy się nad jego istotą. W wymienianych dotąd rodzajach połączeń podstawą wiązania były elektrony pochodzące od dwóch atomów i były one uwspólniane. Wiązanie koordynacyjne natomiast tworzone jest przez parę elektronową jednego atomu. Warunkiem utworzenia takiego wiązania jest obecność dwóch atomów w zupełnie odmiennych sytuacjach:
- z jednej strony „bogatszy” atom pierwiastka posiadający wolną parę elektronową którą może się podzielić – zostaje donorem (dawcą)
- z drugiej strony „biedniejszy” atom pierwiastka posiadający lukę elektronową i z chęcią przyjmujący elektrony – zostaje akceptorem
Para elektronowa tworząca to wiązanie jest również (tak jak w innych wiązaniach kowalencyjnych) wspólna, tak samo dla donora jak i akceptora. W poniższym przykładzie donorem jest atom azotu z amoniaku (NH3), a akceptorem jest jon wodorowy (H+):
We wzorach kreskowych, wiązanie takie oznaczamy strzałką zwróconą w kierunku akceptora elektronów. Zwróć uwagę, że we wzorze elektronowym nie mamy już wolnej pary elektronowej na atomie azotu. Podobnie jak w innych wiązaniach kowalencyjnych, strzałka oznacza już uwspólnioną parę elektronów.
Wiązanie jonowe
Kolejnym sposobem na uzyskanie swojego celu w postaci oktetu bądź dubletu jaki podejmują drobiny chemiczne jest wiązanie jonowe. Występuje ono między pierwiastkami których różnice elektroujemności są spore. Przyjmuje się, że granicą jest różnica wynosząca 1,7. I tutaj zatrzymajmy się na chwilę.
Jako, że liczba ta jest uważana za górną granicę różnicy elektroujemności wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych i dolną jonowych należy wyjaśnić, że granica ta jest umowna. Jest to podejście typowo maturalne. Wg podstawy programowej musimy umieć określić rodzaj wiązania na podstawie różnicy elektroujemności i liczby elektronów walencyjnych atomów łączących się pierwiastków. Istnieją jednak związki, w których jest ona przekroczona, a występuje w nich wiązanie kowalencyjne spolaryzowane: np. fluorowodór; jak również związki, w których między atomami różnica elektroujemności jest mniejsza, a tworzą wiązania jonowe np. wodorki metali. Warto o tym pamiętać.
Jaka jest różnica między wiązaniem jonowym a wiązaniem kowalencyjnym?
Teraz możemy zająć się tym, czym tak naprawdę jest wiązanie jonowe. Do tej pory mówiąc o tworzeniu wiązania użytym słowem było uwspólnienie (pary elektronowej). W wiązaniu jonowym sytuacja jest zgoła odmienna. Jedna z drobin w celu uzyskania dubletu bądź oktetu pozbywa się elektronów i staję się naładowana dodatnie, mówiąc inaczej: staję się jonem dodatnim – kationem. Druga natomiast przejmuje elektrony oddane przez pierwszą i staje się naładowana ujemnie, czyli staje się jonem ujemnym – anionem.
Nie ma tu mowy o czymś wspólnym. Obie te cząstki są teraz „szczęśliwe” ponieważ uzyskały stan optymalny energetycznie. Kationy i aniony jako cząsteczki o przeciwnych ładunkach, przyciągają się wzajemnie poprzez oddziaływania elektrostatyczne, tworząc w ten sposób wiązanie jonowe. Poniżej przykład budowy prostej soli.
Jak możesz zauważyć w przykładzie, w przypadku wiązania jonowego, właściwie nie możemy mówić o cząsteczkach. Związki te tak naprawdę tworzą sieci krystaliczne, w których aniony i kationy oddziałują na siebie elektrostatycznie.
Wiązanie metaliczne
O tym rodzaju wiązań mówi się najmniej, jednak są one istotne, dlatego warto powiedzieć o nich kilka słów. Metale również tworzą sieć, jednak jej podstawą są rdzenie atomowe, a między nimi swobodnie poruszają się elektrony walencyjne tych metali. Swobodny przepływ elektronów w takiej sieci odpowiada za przewodnictwo elektryczne metali.
Najważniejsze właściwości, które wynikają z poszczególnych rodzajów wiązań
Często, szczególnie w zadaniach maturalnych poleceniem w zadaniu jest określić rodzaj wiązania na podstawie właściwości danego związku czy cząsteczki. Każdy rodzaj wiązania niesie za sobą pewne cechy charakterystyczne. Poniżej najważniejsze z nich:
- wiązania kowalencyjne: niska temperatura wrzenia i topnienia, słabe mechanicznie, izolatory elektryczne (wyjątkiem jest tutaj grafit)
- wiązania jonowe: wysoka temperatura wrzenia i topnienia, wytrzymałość mechaniczna, przewodzenie prądu elektrycznego po stopieniu lub rozpuszczeniu w wodzie
- wiązania metaliczne: zmienne temperatury topnienia i wytrzymałość mechaniczna, ciągliwość, przewodzenie prądu elektrycznego
Na koniec ważna uwaga: w przypadku tego typu zadań, jak i generalnie przy określaniu rodzaju wiązania, powinniśmy się zdecydowanie mocniej skupić na właściwościach związku, niż na różnicach elektroujemności. Różnica elektroujemności powinna być wykorzystywana w zadaniach maturalnych, kiedy nie jest dostępna żadna inna informacja.
 |
Chcesz wiedzieć więcej?
Polecam swoje lekcje online – w module “wiązania chemiczne” omawiam: istotę poszczególnych wiązań chemicznych i ich wpływ na właściwości, pisanie wzorów elektronowych, oddziaływania międzycząsteczkowe. Lekcja składa się z teorii i zadań maturalnych. Sprawdź tutaj. Wszystkie kursy znajdziesz na mojej platformie do nauki online: kursy.paniodchemii.pl. |