Co je chemické lepení?

K chemické vazbě dochází, když se dva nebo více atomů spojí dohromady a vytvoří molekulu. Ve vědě je obecným principem, že všechny systémy se budou snažit dosáhnout své nejnižší energetické úrovně a chemické vazby se uskuteční pouze tehdy, když se vytvoří molekula, která má méně energie než její nekombinované atomy. Tři hlavní typy vazby jsou iontové, kovalentní a kovové. To vše zahrnuje elektrony pohybující se mezi atomy různými způsoby. Dalším, mnohem slabším typem je vodíková vazba.

Atomová struktura

Atomy sestávají z jádra obsahujícího pozitivně nabité protony, které je obklopeno stejným počtem negativně nabitých elektronů. Normálně jsou proto elektricky neutrální. Atom však může ztratit nebo získat jeden nebo více elektronů, což mu dá kladný nebo záporný náboj. Když má člověk elektrický náboj, nazývá se ion.

Chemické vazby se účastní elektrony. Tyto částice jsou uspořádány do skořápek, které lze považovat za existující ve zvyšujících se vzdálenostech od jádra. Obecně platí, že čím více od jádra jsou náboje, tím více energie mají. Počet elektronů, které mohou obsáhnout skořepinu, je omezen. Například první, nejvnitřnější skořepina má limit dva a další skořápka má limit osm.

Ve většině případů se na spojení podílejí pouze elektrony v nejvzdálenějším obalu. Často se nazývají valenční elektrony . Obecně platí, že atomy mají tendenci se navzájem kombinovat takovým způsobem, že všechny dosahují úplných vnějších obalů, protože tyto konfigurace mají obvykle méně energie. Skupina prvků známých jako ušlechtilé plyny - helium, neon, argon, krypton, xenon a radon - již mají plné vnější skořápky, a proto normálně netvoří chemické vazby. Jiné prvky se obecně pokusí dosáhnout struktury vzácného plynu tím, že dají, přijímají nebo sdílejí elektrony s jinými atomy.

Chemické vazby jsou někdy představovány něčím, co se nazývá Lewisova struktura , pojmenovaná po americkém chemikovi Gilbertovi N. Lewisovi. Ve struktuře Lewis jsou valenční elektrony reprezentovány tečkami těsně před chemickými symboly pro prvky v molekule. Jasně ukazují, kde se elektrony přesunuly z jednoho atomu na druhý a kde jsou mezi atomy sdíleny.

Iontové lepení

K tomuto typu chemické vazby dochází mezi kovy, které se snadno vzdávají elektronů, a nekovy, které je chtějí přijímat. Kov dává elektrony v jeho neúplném vnějším plášti nekovu, přičemž tato skořápka je prázdná, takže celá její spodní část se stává jejím novým vnějším obalem. Nekovový přijímá elektrony tak, aby zaplnil svou neúplnou vnější vrstvu. Tímto způsobem oba atomy dosáhly úplných vnějších obalů. Toto ponechává kov s kladným nábojem a nekov s negativním nábojem, takže jsou to pozitivní a negativní ionty, které se navzájem přitahují.

Jednoduchým příkladem je fluorid sodný. Sodík má tři skořápky, přičemž jeden vnější valenční elektron je. Fluor má dvě skořepiny, se sedmi elektrony v nejvzdálenější části. Sodík dává jeden valenční elektron atomu fluoru, takže sodík má nyní dvě kompletní náboje a kladný náboj, zatímco fluor má dva úplné náboje a záporný náboj. Výsledná molekula - fluorid sodný - obsahuje dva atomy s úplnými vnějšími skořápkami spojenými elektrickou přitažlivostí.

Kovalentní vazba

Atomy nekovů se vzájemně kombinují sdílením elektronů tak, že snižují jejich celkovou energetickou hladinu. To obvykle znamená, že pokud jsou kombinovány, všechny mají plné vnější skořápky. Abych uvedl jednoduchý příklad, vodík má jen jeden elektron, ve své první - a jediné - skořápce, což jej nechává jeden krátký k plné skořepině. Dva atomy vodíku mohou sdílet své elektrony za vzniku molekuly, ve které oba mají plné vnější obal.

Často je možné předpovědět, jak se atomy budou vzájemně kombinovat z počtu elektronů, které mají. Například uhlík má šest, což znamená, že má plnou první skořepinu ze dvou a nejvzdálenější skořepinu ze čtyř, takže čtyři zbývá krátce od plné vnější skořepiny. Kyslík má osm, a tak má šest ve vnějším plášti - dva krátké plné. Atom uhlíku se může kombinovat se dvěma atomy kyslíku za vzniku oxidu uhličitého, ve kterém uhlík sdílí své čtyři elektrony, dva s každým atomem kyslíku a atomy kyslíku zase každý sdílí dva své elektrony s atomem uhlíku. Tímto způsobem mají všechny tři atomy plné vnější skořepiny obsahující osm elektronů.

Kovové lepení

V kusu kovu jsou valenční elektrony víceméně volně se pohybovat, spíše než patří jednotlivým atomům. Kov se tedy skládá z kladně nabitých iontů obklopených mobilními, záporně nabitými elektrony. Ionty se mohou pohybovat relativně snadno, ale je obtížné je oddělit kvůli jejich přitažlivosti k elektronům. To vysvětluje, proč se kovy obecně snadno ohýbají, ale je obtížné je rozbít. Mobilita elektronů také vysvětluje, proč jsou kovy dobrými vodiči elektřiny.

Vodíkové lepení

Na rozdíl od výše uvedených příkladů zahrnuje vodíková vazba spíše vazbu mezi molekulami, než uvnitř nich. Když se vodík zkombinuje s prvkem, který silně přitahuje elektrony - například fluor nebo kyslík - elektrony se odtáhnou od vodíku. Výsledkem je molekula s celkově kladným nábojem na jedné straně a záporným nábojem na straně druhé. V kapalině se pozitivní a negativní strany navzájem přitahují a vytvářejí vazby mezi molekulami.

Přestože jsou tyto vazby mnohem slabší než iontové, kovalentní nebo kovové vazby, jsou velmi důležité. K vodíkové vazbě dochází ve vodě, což je sloučenina obsahující dva atomy vodíku a jeden kyslík. To znamená, že k přeměně kapalné vody na plyn je zapotřebí více energie, než by tomu bylo jinak. Bez vodíkových vazeb by voda měla mnohem nižší bod varu a nemohla by existovat jako kapalina na Zemi.