Kodėl atomai gali jungtis vienas su kitu, sudarydami molekules? Kokia yra galimo medžiagų, kurios apima visiškai skirtingų cheminių elementų atomus, egzistavimo priežastis? Tai pasaulinės problemos, turinčios įtakos pagrindinėms šiuolaikinio fizinio ir chemijos mokslo sampratoms. Į juos galite atsakyti turėdami supratimą apie elektroninę atomų struktūrą ir žinodami kovalentinio ryšio, kuris yra pagrindinis daugelio junginių klasių pagrindas, charakteristikas. Mūsų straipsnio tikslas – susipažinti su įvairių tipų cheminių jungčių susidarymo mechanizmais ir junginių, kurių molekulėse yra jų, savybių ypatumais.
Elektroninė atomo struktūra
Elektroneutralios medžiagos dalelės, kurios yra jos struktūriniai elementai, turi tokią struktūrą, kuri atspindi Saulės sistemos struktūrą. Kaip planetos sukasi aplink centrinę žvaigždę – Saulę, taip ir elektronai atome juda aplink teigiamai įkrautą branduolį. ApibūdintiKovalentiniame ryšyje elektronai, esantys paskutiniame energijos lygyje ir labiausiai nutolę nuo branduolio, bus reikšmingi. Kadangi jų ryšys su savo atomo centru yra minimalus, juos gali lengvai pritraukti kitų atomų branduoliai. Tai labai svarbu tarpatominėms sąveikoms, dėl kurių susidaro molekulės, atsirasti. Kodėl molekulinė forma yra pagrindinė materijos egzistavimo rūšis mūsų planetoje? Išsiaiškinkime.
Pagrindinė atomų savybė
Svarbiausia jų savybė yra elektriškai neutralių dalelių gebėjimas sąveikauti, todėl gaunama energija. Iš tiesų, normaliomis sąlygomis medžiagos molekulinė būsena yra stabilesnė nei atominė. Pagrindinės šiuolaikinės atominės ir molekulinės teorijos nuostatos paaiškina tiek molekulių susidarymo principus, tiek kovalentinio ryšio ypatybes. Prisiminkite, kad išoriniame atomo energijos lygyje gali būti nuo 1 iki 8 elektronų, pastaruoju atveju sluoksnis bus pilnas, vadinasi, bus labai stabilus. Tauriųjų dujų atomai turi tokią išorinio lygio struktūrą: argonas, kriptonas, ksenonas - inertiniai elementai, užbaigiantys kiekvieną laikotarpį D. I. Mendelejevo sistemoje. Išimtis čia yra helis, kuris paskutiniame lygyje turi ne 8, o tik 2 elektronus. Priežastis paprasta: pirmajame periode yra tik du elementai, kurių atomai turi vieną elektronų sluoksnį. Visi kiti cheminiai elementai turi nuo 1 iki 7 elektronų paskutiniame, nepilname sluoksnyje. Sąveikaujant vienas su kitu, atomai busstengtis būti užpildytas elektronais iki okteto ir atkurti inertinio elemento atomo konfigūraciją. Tokią būseną galima pasiekti dviem būdais: praradus savo arba priimant svetimas neigiamai įkrautas daleles. Šios sąveikos formos paaiškina, kaip nustatyti, ar tarp reaguojančių atomų susidarys joninis ar kovalentinis ryšys.
Stabilios elektroninės konfigūracijos formavimo mechanizmai
Įsivaizduokime, kad į junginio reakciją patenka dvi paprastos medžiagos: metalinis natris ir dujinis chloras. Susidaro druskų klasės medžiaga – natrio chloridas. Jis turi joninio tipo cheminį ryšį. Kodėl ir kaip tai atsirado? Dar kartą pereikime prie pradinių medžiagų atomų sandaros. Natris paskutiniame sluoksnyje turi tik vieną elektroną, silpnai susijungusį su branduoliu dėl didelio atomo spindulio. Visų šarminių metalų, įskaitant natrį, jonizacijos energija yra maža. Todėl išorinio lygio elektronas išeina iš energijos lygio, jį pritraukia chloro atomo branduolys ir lieka jo erdvėje. Tai sukuria precedentą Cl atomo perėjimui į neigiamai įkrauto jono formą. Dabar mes susiduriame ne su elektra neutraliomis dalelėmis, o su įkrautais natrio katijonais ir chloro anijonais. Pagal fizikos dėsnius tarp jų atsiranda elektrostatinės traukos jėgos, o junginys sudaro joninę kristalinę gardelę. Mūsų nagrinėjamas joninio tipo cheminės jungties susidarymo mechanizmas padės aiškiau išsiaiškinti kovalentinio ryšio specifiką ir pagrindines charakteristikas.
Bendrinos elektronų poros
Jei joninis ryšys atsiranda tarp elementų, kurių elektronegatyvumas labai skiriasi, ty metalų ir nemetalų, atomų, tada kovalentinis tipas atsiranda, kai sąveikauja tų pačių arba skirtingų nemetalinių elementų atomai. Pirmuoju atveju įprasta kalbėti apie nepolinę, o kitu – apie kovalentinio ryšio poliarinę formą. Jų susidarymo mechanizmas yra bendras: kiekvienas iš atomų dalinai duoda bendram naudojimui elektronus, kurie sujungiami poromis. Tačiau erdvinis elektronų porų išdėstymas atomų branduolių atžvilgiu bus kitoks. Tuo remiantis išskiriami kovalentinių ryšių tipai – nepoliniai ir poliniai. Dažniausiai cheminiuose junginiuose, susidedančiuose iš nemetalinių elementų atomų, yra poros, susidedančios iš elektronų su priešingais sukiniais, t.y., besisukančių aplink savo branduolius priešingomis kryptimis. Kadangi neigiamai įkrautų dalelių judėjimas erdvėje sukelia elektronų debesų susidarymą, kuris galiausiai baigiasi jų tarpusavio sutapimu. Kokios šio proceso pasekmės atomams ir kokios tai pasekmės?
Fizikinės kovalentinio ryšio savybės
Pasirodo, kad tarp dviejų sąveikaujančių atomų centrų yra didelio tankio dviejų elektronų debesis. Didėja elektrostatinės traukos jėgos tarp paties neigiamą krūvį turinčio debesies ir atomų branduolių. Dalis energijos išsiskiria ir atstumai tarp atomų centrų mažėja. Pavyzdžiui, molekulės formavimosi pradžioje H2 atstumas tarp vandenilio atomų branduoliųyra 1,06 A, persidengus debesims ir susidarius bendrai elektronų porai - 0,74 A. Kovalentinio ryšio, susidariusio pagal minėtą mechanizmą, pavyzdžių galima rasti tiek tarp paprastų, tiek tarp sudėtingų neorganinių medžiagų. Pagrindinis jo skiriamasis bruožas yra bendrų elektronų porų buvimas. Dėl to, atsiradus kovalentiniam ryšiui tarp atomų, pavyzdžiui, vandenilio, kiekvienas iš jų įgyja inertinio helio elektroninę konfigūraciją, o gauta molekulė turi stabilią struktūrą.
Erdvinė molekulės forma
Kita labai svarbi fizinė kovalentinio ryšio savybė yra kryptingumas. Tai priklauso nuo medžiagos molekulės erdvinės konfigūracijos. Pavyzdžiui, kai du elektronai persidengia su sferiniu debesiu, molekulės išvaizda yra linijinė (vandenilio chloridas arba vandenilio bromidas). Vandens molekulių, kuriose hibridizuojasi s- ir p-debesys, forma yra kampinė, o labai stiprios dujinio azoto dalelės atrodo kaip piramidė.
Paprastų medžiagų struktūra – nemetalai
Sužinojus, koks ryšys vadinamas kovalentiniu, kokius požymius jis turi, atėjo laikas panagrinėti jo atmainas. Jei to paties nemetalo – chloro, azoto, deguonies, bromo ir kt. atomai sąveikauja tarpusavyje, tada susidaro atitinkamos paprastos medžiagos. Jų bendrosios elektronų poros yra vienodu atstumu nuo atomų centrų, nesislinkdamos. Junginiams su nepoliniu kovalentiniu ryšiu būdingos šios savybės: žemos virimo temperatūros irlydymasis, netirpumas vandenyje, dielektrinės savybės. Toliau išsiaiškinsime, kurioms medžiagoms būdingas kovalentinis ryšys, kuriame vyksta bendrųjų elektronų porų poslinkis.
Elektronegatyvumas ir jo poveikis cheminės jungties tipui
Tam tikro elemento savybė pritraukti elektronus iš kito elemento atomo chemijoje vadinama elektronegatyvumu. L. Paulingo pasiūlytą šio parametro verčių skalę galima rasti visuose neorganinės ir bendrosios chemijos vadovėliuose. Didžiausia jo vertė – 4,1 eV – turi fluoro, mažesnė – kitų aktyvių nemetalų, o žemiausias rodiklis būdingas šarminiams metalams. Jei elementai, kurie skiriasi savo elektronegatyvumu, reaguoja vienas su kitu, tai neišvengiamai vienas, aktyvesnis, į savo branduolį pritrauks pasyvesnio elemento atomo neigiamo krūvio daleles. Taigi kovalentinio ryšio fizikinės savybės tiesiogiai priklauso nuo elementų gebėjimo paaukoti elektronus bendram naudojimui. Susidariusios bendros poros branduolių atžvilgiu nebėra išsidėsčiusios simetriškai, o pasislenka aktyvesnio elemento link.
Junginių su poliniu ryšiu savybės
Molekulėse esančios medžiagos, kurių jungtinės elektronų poros yra asimetriškos atomų branduolių atžvilgiu, yra vandenilio halogenidai, rūgštys, chalkogenų junginiai su vandeniliu ir rūgščių oksidai. Tai yra sulfatinės ir nitratinės rūgštys, sieros ir fosforo oksidai, vandenilio sulfidas ir kt. Pavyzdžiui, vandenilio chlorido molekulėje yra viena bendra elektronų pora,susidaro nesuporuoti vandenilio ir chloro elektronai. Jis pasislenka arčiau Cl atomo centro, kuris yra labiau elektronegatyvus elementas. Visos medžiagos, turinčios polinį ryšį vandeniniuose tirpaluose, disocijuoja į jonus ir praleidžia elektros srovę. Junginiai, turintys polinį kovalentinį ryšį, kurių pavyzdžius pateikėme, taip pat turi aukštesnę lydymosi ir virimo temperatūrą, palyginti su paprastomis nemetalinėmis medžiagomis.
Cheminių ryšių nutraukimo metodai
Organinėje chemijoje sočiųjų angliavandenilių pakeitimo reakcijos halogenais vyksta pagal radikalų mechanizmą. Metano ir chloro mišinys šviesoje ir įprastoje temperatūroje reaguoja taip, kad chloro molekulės pradeda skilti į daleles, nešančias nesuporuotus elektronus. Kitaip tariant, stebimas bendros elektronų poros sunaikinimas ir labai aktyvių radikalų -Cl susidarymas. Jie gali paveikti metano molekules taip, kad nutrauktų kovalentinį ryšį tarp anglies ir vandenilio atomų. Susidaro aktyvi dalelė –H, o laisvasis anglies atomo valentingumas įgauna chloro radikalą, o chlormetanas tampa pirmuoju reakcijos produktu. Toks molekulių skaidymo mechanizmas vadinamas homolitiniu. Jei bendra elektronų pora visiškai pereina į vieną iš atomų, tada jie kalba apie heterolizinį mechanizmą, būdingą reakcijoms, vykstančioms vandeniniuose tirpaluose. Tokiu atveju polinės vandens molekulės padidins ištirpusio junginio cheminių ryšių sunaikinimo greitį.
Dvigubas ir trigubasnuorodos
Didžioji dalis organinių medžiagų ir kai kurių neorganinių junginių savo molekulėse turi ne vieną, o kelias bendras elektronų poras. Kovalentinio ryšio dauginimas sumažina atstumą tarp atomų ir padidina junginių stabilumą. Paprastai jie vadinami chemiškai atspariais. Pavyzdžiui, azoto molekulėje yra trys elektronų poros, jos struktūrinėje formulėje nurodomos trimis brūkšneliais ir nustato jo stiprumą. Paprasta medžiaga azotas yra chemiškai inertiška ir gali reaguoti su kitais junginiais, tokiais kaip vandenilis, deguonis ar metalai, tik kai kaitinama arba esant padidintam slėgiui, taip pat esant katalizatoriams.
Dvigubos ir trigubos jungtys yra būdingos tokioms organinių junginių klasėms kaip nesotieji dieno angliavandeniliai, taip pat etileno arba acetileno serijos medžiagoms. Keli ryšiai lemia pagrindines chemines savybes: jų lūžio taškuose vykstančios sudėjimo ir polimerizacijos reakcijos.
Savo straipsnyje pateikėme bendrą kovalentinio ryšio aprašymą ir išnagrinėjome pagrindinius jo tipus.
