Co to jest wiązanie chemiczne?

Wiązanie chemiczne zachodzi, gdy dwa lub więcej atomów łączy się tworząc cząsteczkę. Jest ogólną zasadą w nauce, że wszystkie systemy będą próbowały osiągnąć swój najniższy poziom energii, a wiązania chemiczne będą miały miejsce tylko wtedy, gdy cząsteczka może się wytworzyć, która ma mniej energii niż jej niespołączone atomy. Trzy główne typy wiązania to jonowe, kowalencyjne i metaliczne. Wszystkie obejmują elektrony poruszające się między atomami na różne sposoby. Innym, znacznie słabszym typem jest wiązanie wodorowe.

Struktura atomowa

Atomy składają się z jądra zawierającego dodatnio naładowane protony, które są otoczone równą liczbą ujemnie naładowanych elektronów. Zwykle są zatem elektrycznie neutralne. Atom może jednak stracić lub zyskać jeden lub więcej elektronów, nadając mu ładunek dodatni lub ujemny. Kiedy ktoś ma ładunek elektryczny, nazywa się go jonem.

To elektrony biorą udział w wiązaniu chemicznym. Cząstki te są ułożone w skorupy , o których można myśleć, że istnieją w coraz większych odległościach od jądra. Ogólnie rzecz biorąc, im dalej od jądra znajdują się pociski, tym więcej mają energii. Istnieje ograniczenie liczby elektronów, które mogą zajmować powłokę. Na przykład pierwsza, najbardziej wewnętrzna skorupa ma limit dwóch, a następna skorupa osiem.

W większości przypadków w wiązaniu uczestniczą tylko elektrony w zewnętrznej powłoce. Są to często nazywane elektronami walencyjnymi . Zasadniczo atomy będą się łączyć ze sobą w taki sposób, że wszystkie osiągają pełne powłoki zewnętrzne, ponieważ konfiguracje te zwykle mają mniej energii. Grupa pierwiastków zwanych gazami szlachetnymi - hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon - ma już pełne powłoki zewnętrzne iz tego powodu zwykle nie tworzą wiązań chemicznych. Inne pierwiastki będą na ogół próbowały osiągnąć strukturę gazu szlachetnego przez dawanie, przyjmowanie lub współdzielenie elektronów z innymi atomami.

Wiązania chemiczne są czasami reprezentowane przez coś zwanego strukturą Lewisa , nazwaną na cześć amerykańskiego chemika Gilberta N. Lewisa. W strukturze Lewisa elektrony walencyjne są reprezentowane przez kropki tuż poza symbolami chemicznymi pierwiastków w cząsteczce. Pokazują one wyraźnie, gdzie elektrony przemieszczały się z jednego atomu na drugi i gdzie są dzielone między atomami.

Wiązanie jonowe

Ten rodzaj wiązania chemicznego zachodzi między metalami, które łatwo oddają elektrony, a niemetalami, które chętnie je akceptują. Metal przekazuje niemetalowi elektrony w swojej niekompletnej najbardziej zewnętrznej skorupie, pozostawiając tę ​​skorupę pustą, tak że pełna skorupa poniżej staje się nową zewnętrzną powłoką. Niemetal akceptuje elektrony, aby wypełnić swoją niepełną zewnętrzną powłokę. W ten sposób oba atomy osiągnęły pełną powłokę zewnętrzną. Pozostawia to metal z ładunkiem dodatnim, a niemetal z ładunkiem ujemnym, więc są one dodatnimi i ujemnymi jonami, które się przyciągają.

Prostym przykładem jest fluorek sodu. Sód ma trzy skorupy, z jednym elektronem walencyjnym w najbardziej zewnętrznej części. Fluor ma dwie skorupy z siedmioma elektronami w najbardziej zewnętrznej części. Sód przekazuje swój elektron walencyjny jednemu atomowi fluoru, dzięki czemu sód ma teraz dwie pełne powłoki i ładunek dodatni, podczas gdy fluor ma dwie pełne powłoki i ładunek ujemny. Powstała cząsteczka - fluorek sodu - zawiera dwa atomy z kompletnymi powłokami zewnętrznymi połączonymi ze sobą za pomocą przyciągania elektrycznego.

Wiązanie kowalencyjne

Atomy niemetali łączą się ze sobą, dzieląc elektrony w taki sposób, że obniżają ogólny poziom energii. Zazwyczaj oznacza to, że po połączeniu wszystkie mają pełne zewnętrzne powłoki. Na przykład, wodór ma tylko jeden elektron w swojej pierwszej i jedynej powłoce, co powoduje, że brakuje mu jednej pełnej powłoki. Dwa atomy wodoru mogą dzielić swoje elektrony, tworząc cząsteczkę, w której oba mają pełną powłokę zewnętrzną.

Często można przewidzieć, w jaki sposób atomy połączą się ze sobą na podstawie liczby elektronów, które mają. Na przykład węgiel ma sześć, co oznacza, że ​​ma pełną pierwszą powłokę złożoną z dwóch i najbardziej zewnętrzną powłokę złożoną z czterech, co oznacza, że ​​brakuje czterech kompletnych powłok zewnętrznych. Tlen ma osiem, a więc ma sześć w swojej zewnętrznej skorupie - dwa brakuje pełnej skorupy. Atom węgla może łączyć się z dwoma atomami tlenu, tworząc dwutlenek węgla, w którym węgiel dzieli swoje cztery elektrony, po dwa z każdym atomem tlenu, a z kolei każdy z atomów tlenu dzieli dwa swoje elektrony z atomem węgla. W ten sposób wszystkie trzy atomy mają pełne zewnętrzne powłoki zawierające osiem elektronów.

Klejenie metaliczne

W kawałku metalu elektrony walencyjne mogą mniej więcej swobodnie się poruszać, a nie należą do poszczególnych atomów. Metal składa się zatem z dodatnio naładowanych jonów otoczonych ruchomymi, ujemnie naładowanymi elektronami. Jony można przemieszczać stosunkowo łatwo, ale trudno je oddzielić ze względu na ich przyciąganie do elektronów. Wyjaśnia to, dlaczego metale są ogólnie łatwe do zginania, ale trudne do złamania. Mobilność elektronów wyjaśnia również, dlaczego metale są dobrymi przewodnikami elektryczności.

Wiązanie wodorowe

W przeciwieństwie do powyższych przykładów wiązanie wodorowe obejmuje wiązanie między cząsteczkami, a nie wewnątrz nich. Gdy wodór łączy się z pierwiastkiem silnie przyciągającym elektrony - takim jak fluor lub tlen - elektrony są odrywane od wodoru. Powoduje to powstanie cząsteczki o ogólnym ładunku dodatnim po jednej stronie i ładunku ujemnym po drugiej. W cieczy dodatnie i ujemne strony przyciągają się, tworząc wiązania między cząsteczkami.

Chociaż wiązania te są znacznie słabsze niż wiązania jonowe, kowalencyjne lub metaliczne, są bardzo ważne. Wiązanie wodoru zachodzi w wodzie, związku zawierającym dwa atomy wodoru i jeden tlenu. Oznacza to, że do przetworzenia ciekłej wody w gaz potrzeba więcej energii niż w innym przypadku. Bez wiązania wodorowego woda miałaby znacznie niższą temperaturę wrzenia i nie mogłaby istnieć jako ciecz na Ziemi.