Konsep ikatan kimia tidak begitu penting dalam pelbagai bidang kimia sebagai sains. Ini disebabkan fakta bahawa dengan bantuannya atom individu dapat bergabung menjadi molekul, membentuk semua jenis bahan, yang seterusnya, menjadi subjek penyelidikan kimia.
Kepelbagaian atom dan molekul dikaitkan dengan kemunculan pelbagai jenis ikatan antara mereka. Kelas molekul yang berbeza dicirikan oleh ciri pengedaran elektronnya sendiri, dan oleh itu jenis ikatannya sendiri.
Konsep asas
Ikatan kimia ialah satu set interaksi yang membawa kepada pengikatan atom untuk membentuk zarah yang stabil daripada struktur yang lebih kompleks (molekul, ion, radikal), serta agregat (kristal, gelas, dll.). Sifat interaksi ini adalah bersifat elektrik, dan ia timbul semasa pengagihan elektron valens dalam mendekati atom.
Valency biasanya dipanggil keupayaan atom untuk membentuk bilangan ikatan tertentu dengan atom lain. Dalam sebatian ionik, bilangan elektron yang diberi atau terikat diambil sebagai nilai valens. ATdalam sebatian kovalen, ia adalah sama dengan bilangan pasangan elektron sepunya.
Keadaan pengoksidaan difahami sebagai cas bersyarat yang boleh ada pada atom jika semua ikatan kovalen polar adalah ionik.
Kepelbagaian ikatan ialah bilangan pasangan elektron yang dikongsi antara atom yang dipertimbangkan.
Ikatan yang dipertimbangkan dalam pelbagai cabang kimia boleh dibahagikan kepada dua jenis ikatan kimia: ikatan yang membawa kepada pembentukan bahan baru (intramolekul), dan yang timbul antara molekul (antara molekul).
Ciri komunikasi asas
Tenaga pengikat ialah tenaga yang diperlukan untuk memecahkan semua ikatan sedia ada dalam molekul. Ia juga merupakan tenaga yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan.
Panjang ikatan ialah jarak antara nukleus atom bersebelahan dalam molekul, di mana daya tarikan dan tolakan adalah seimbang.
Dua ciri ikatan kimia atom ini adalah ukuran kekuatannya: semakin pendek panjang dan semakin besar tenaga, semakin kuat ikatannya.
Sudut ikatan biasanya dipanggil sudut antara garis yang diwakili melalui arah ikatan melalui nukleus atom.
Kaedah untuk menerangkan pautan
Dua pendekatan yang paling biasa untuk menerangkan ikatan kimia, yang dipinjam daripada mekanik kuantum:
Kaedah orbital molekul. Dia menganggap molekul sebagai satu set elektron dan nukleus atom, dengan setiap elektron individu bergerak dalam bidang tindakan semua elektron dan nukleus lain. Molekul mempunyai struktur orbit, dan semua elektronnya diedarkan di sepanjang orbit ini. Selain itu, kaedah ini dipanggil MO LCAO, yang bermaksud "orbital molekul - gabungan linear orbital atom".
Kaedah ikatan valens. Mewakili molekul sebagai sistem dua orbital molekul pusat. Selain itu, setiap daripada mereka sepadan dengan satu ikatan antara dua atom bersebelahan dalam molekul. Kaedah ini adalah berdasarkan peruntukan berikut:
- Pembentukan ikatan kimia dilakukan oleh sepasang elektron dengan putaran bertentangan, yang terletak di antara dua atom yang dianggap. Pasangan elektron yang terbentuk tergolong dalam dua atom yang sama.
- Bilangan ikatan yang terbentuk oleh satu atau atom lain adalah sama dengan bilangan elektron tidak berpasangan di dalam tanah dan keadaan teruja.
- Jika pasangan elektron tidak mengambil bahagian dalam pembentukan ikatan, maka ia dipanggil pasangan tunggal.
Elektronegativiti
Adalah mungkin untuk menentukan jenis ikatan kimia dalam bahan berdasarkan perbezaan nilai keelektronegatifan atom konstituennya. Keelektronegatifan difahami sebagai keupayaan atom untuk menarik pasangan elektron biasa (awan elektron), yang membawa kepada polarisasi ikatan.
Terdapat pelbagai cara untuk menentukan nilai keelektronegatifan unsur kimia. Walau bagaimanapun, yang paling biasa digunakan ialah skala berdasarkan data termodinamik, yang dicadangkan pada tahun 1932 oleh L. Pauling.
Semakin besar perbezaan keelektronegatifan atom, semakin ketara keionannya. Sebaliknya, nilai elektronegativiti yang sama atau dekat menunjukkan sifat kovalen ikatan. Dalam erti kata lain, adalah mungkin untuk menentukan ikatan kimia yang diperhatikan dalam molekul tertentu secara matematik. Untuk melakukan ini, anda perlu mengira ΔX - perbezaan dalam keelektronegatifan atom mengikut formula: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Jika ΔХ>1, 7, maka ikatannya adalah ionik.
- Jika 0.5≦ΔХ≦1.7, maka ikatan kovalen adalah polar.
- Jika ΔХ=0 atau hampir dengannya, maka ikatan itu adalah kovalen bukan kutub.
Ikatan ionik
Ion ialah ikatan yang muncul antara ion atau disebabkan penarikan sepenuhnya pasangan elektron sepunya oleh salah satu atom. Dalam bahan, jenis ikatan kimia ini dilakukan oleh daya tarikan elektrostatik.
Ion ialah zarah bercas yang terbentuk daripada atom hasil daripada perolehan atau kehilangan elektron. Apabila atom menerima elektron, ia memperoleh cas negatif dan menjadi anion. Jika atom menderma elektron valens, ia menjadi zarah bercas positif yang dipanggil kation.
Ia adalah ciri sebatian yang terbentuk daripada interaksi atom logam biasa dengan atom bukan logam biasa. Utama proses ini ialah aspirasi atom untuk memperoleh konfigurasi elektronik yang stabil. Dan untuk ini, logam biasa dan bukan logam perlu memberi atau menerima hanya 1-2 elektron,yang mereka lakukan dengan mudah.
Mekanisme pembentukan ikatan kimia ionik dalam molekul secara tradisinya dipertimbangkan menggunakan contoh interaksi natrium dan klorin. Atom logam alkali dengan mudah mendermakan elektron yang ditarik oleh atom halogen. Hasilnya ialah kation Na+ dan anion Cl-, yang disatukan oleh tarikan elektrostatik.
Tiada ikatan ionik yang ideal. Walaupun dalam sebatian sedemikian, yang sering dirujuk sebagai ionik, pemindahan terakhir elektron dari atom ke atom tidak berlaku. Pasangan elektron yang terbentuk masih kekal dalam penggunaan biasa. Oleh itu, mereka bercakap tentang tahap keionisasian ikatan kovalen.
Ikatan ionik dicirikan oleh dua sifat utama yang berkaitan antara satu sama lain:
- bukan arah, iaitu medan elektrik di sekeliling ion mempunyai bentuk sfera;
- Ketidaktepuan, iaitu bilangan ion bercas bertentangan yang boleh diletakkan di sekeliling mana-mana ion, ditentukan oleh saiznya.
Ikatan kimia kovalen
Ikatan yang terbentuk apabila awan elektron atom bukan logam bertindih, iaitu, dijalankan oleh pasangan elektron sepunya, dipanggil ikatan kovalen. Bilangan pasangan elektron yang dikongsi menentukan kepelbagaian ikatan. Oleh itu, atom hidrogen dikaitkan dengan ikatan H··H tunggal, dan atom oksigen membentuk ikatan berganda O::O.
Terdapat dua mekanisme untuk pembentukannya:
- Pertukaran - setiap atom mewakili satu elektron untuk pembentukan pasangan sepunya: A +B=A: B, manakala sambungan melibatkan orbital atom luaran, di mana satu elektron terletak.
- Penerima penderma - untuk membentuk ikatan, salah satu atom (penderma) menyediakan sepasang elektron, dan yang kedua (penerima) - orbital bebas untuk penempatannya: A +:B=A:B.
Cara awan elektron bertindih apabila ikatan kimia kovalen terbentuk juga berbeza.
- Terus. Kawasan pertindihan awan terletak pada garis khayalan lurus yang menghubungkan nukleus atom yang dipertimbangkan. Dalam kes ini, ikatan-σ terbentuk. Jenis ikatan kimia yang berlaku dalam kes ini bergantung kepada jenis awan elektron yang mengalami pertindihan: ikatan s-s, s-p, p-p, s-d atau p-d σ. Dalam zarah (molekul atau ion), hanya satu ikatan σ boleh berlaku antara dua atom yang berjiran.
- Tepi. Ia dijalankan pada kedua-dua belah garis yang menghubungkan nukleus atom. Beginilah cara ikatan π terbentuk, dan varietinya juga mungkin: p-p, p-d, d-d. Terpisah daripada ikatan σ, ikatan π tidak pernah terbentuk; ia boleh berada dalam molekul yang mengandungi berbilang ikatan (berganda dan rangkap tiga).
Sifat ikatan kovalen
Mereka menentukan ciri kimia dan fizikal sebatian. Sifat utama mana-mana ikatan kimia dalam bahan ialah kejuruteraan, kekutuban dan kebolehpolaran, serta ketepuan.
Arah arah ikatan menentukan ciri molekulstruktur bahan dan bentuk geometri molekulnya. Intipatinya terletak pada hakikat bahawa pertindihan terbaik awan elektron adalah mungkin dengan orientasi tertentu di angkasa. Pilihan untuk pembentukan ikatan σ- dan π telah dipertimbangkan di atas.
Tepu difahamkan sebagai keupayaan atom membentuk sejumlah ikatan kimia dalam molekul. Bilangan ikatan kovalen untuk setiap atom dihadkan oleh bilangan orbital luar.
Kekutuban ikatan bergantung pada perbezaan nilai keelektronegatifan atom. Ia menentukan keseragaman taburan elektron antara nukleus atom. Ikatan kovalen atas dasar ini boleh menjadi polar atau bukan polar.
- Jika pasangan elektron sepunya sama-sama dimiliki oleh setiap atom dan terletak pada jarak yang sama dari nukleusnya, maka ikatan kovalen adalah bukan kutub.
- Jika pasangan elektron sepunya dialihkan ke nukleus salah satu atom, maka ikatan kimia polar kovalen terbentuk.
Kepolarisan dinyatakan dengan sesaran elektron ikatan di bawah tindakan medan elektrik luaran, yang mungkin dimiliki oleh zarah lain, ikatan jiran dalam molekul yang sama, atau datang daripada sumber luar medan elektromagnet. Jadi, ikatan kovalen di bawah pengaruhnya boleh mengubah kekutubannya.
Di bawah penghibridan orbital memahami perubahan dalam bentuknya dalam pelaksanaan ikatan kimia. Ini adalah perlu untuk mencapai pertindihan yang paling berkesan. Terdapat jenis hibridisasi berikut:
- sp3. Satu s- dan tiga orbital p membentuk empatorbital "hibrid" dengan bentuk yang sama. Secara luaran, ia menyerupai tetrahedron dengan sudut antara paksi 109 °.
- sp2. Satu s- dan dua orbital p membentuk segi tiga rata dengan sudut antara paksi 120°.
- sp. Satu s- dan satu orbital p membentuk dua orbital "hibrid" dengan sudut antara paksinya 180°.
Ikatan logam
Ciri struktur atom logam ialah jejari yang agak besar dan kehadiran sejumlah kecil elektron dalam orbital luar. Akibatnya, dalam unsur kimia sedemikian, ikatan antara nukleus dan elektron valens agak lemah dan mudah putus.
Ikatan logam ialah interaksi antara atom-ion logam, yang dijalankan dengan bantuan elektron yang dinyahlokasi.
Dalam zarah logam, elektron valens boleh dengan mudah meninggalkan orbital luar, serta menduduki tempat kosong di atasnya. Oleh itu, pada masa yang berbeza, zarah yang sama boleh menjadi atom dan ion. Elektron yang tercabut daripadanya bergerak bebas ke seluruh isipadu kekisi kristal dan menjalankan ikatan kimia.
Ikatan jenis ini mempunyai persamaan dengan ionik dan kovalen. Begitu juga untuk ion, ion diperlukan untuk kewujudan ikatan logam. Tetapi jika untuk pelaksanaan interaksi elektrostatik dalam kes pertama, kation dan anion diperlukan, maka pada yang kedua, peranan zarah bercas negatif dimainkan oleh elektron. Jika kita membandingkan ikatan logam dengan ikatan kovalen, maka pembentukan kedua-duanya memerlukan elektron sepunya. Walau bagaimanapun, dalamtidak seperti ikatan kimia polar, ia tidak disetempatkan antara dua atom, tetapi tergolong dalam semua zarah logam dalam kekisi kristal.
Ikatan logam bertanggungjawab terhadap sifat istimewa hampir semua logam:
- keplastikan, wujud disebabkan kemungkinan anjakan lapisan atom dalam kekisi kristal yang dipegang oleh gas elektron;
- kilau logam, yang diperhatikan disebabkan oleh pantulan sinar cahaya daripada elektron (dalam keadaan serbuk tiada kekisi kristal dan, oleh itu, elektron bergerak di sepanjangnya);
- konduksi elektrik, yang dijalankan oleh aliran zarah bercas, dan dalam kes ini, elektron kecil bergerak bebas di antara ion logam besar;
- konduksi terma, diperhatikan kerana keupayaan elektron untuk memindahkan haba.
Ikatan hidrogen
Ikatan kimia jenis ini kadangkala dipanggil perantaraan antara interaksi kovalen dan antara molekul. Jika atom hidrogen mempunyai ikatan dengan salah satu unsur elektronegatif kuat (seperti fosforus, oksigen, klorin, nitrogen), maka ia mampu membentuk ikatan tambahan, dipanggil hidrogen.
Ia jauh lebih lemah daripada semua jenis ikatan yang dipertimbangkan di atas (tenaga tidak melebihi 40 kJ/mol), tetapi ia tidak boleh diabaikan. Itulah sebabnya ikatan kimia hidrogen dalam rajah kelihatan seperti garis putus-putus.
Kejadian ikatan hidrogen adalah mungkin disebabkan oleh interaksi elektrostatik penderma-penerima pada masa yang sama. Perbezaan besar dalam nilaikeelektronegatifan membawa kepada penampilan ketumpatan elektron berlebihan pada atom O, N, F dan lain-lain, serta kekurangannya pada atom hidrogen. Sekiranya tiada ikatan kimia yang sedia ada antara atom tersebut, daya tarikan diaktifkan jika ia cukup rapat. Dalam kes ini, proton ialah penerima pasangan elektron, dan atom kedua ialah penderma.
Ikatan hidrogen boleh berlaku di antara molekul bersebelahan, contohnya, air, asid karboksilik, alkohol, ammonia dan dalam molekul, contohnya, asid salisilik.
Kehadiran ikatan hidrogen antara molekul air menerangkan beberapa sifat fizikalnya yang unik:
- Nilai kapasiti habanya, pemalar dielektrik, takat didih dan lebur, mengikut pengiraan, harus jauh lebih rendah daripada yang sebenar, yang dijelaskan oleh ikatan molekul dan keperluan untuk membelanjakan tenaga untuk memecahkan ikatan hidrogen antara molekul.
- Tidak seperti bahan lain, apabila suhu menurun, isipadu air meningkat. Ini disebabkan oleh fakta bahawa molekul menduduki kedudukan tertentu dalam struktur kristal ais dan bergerak menjauhi satu sama lain mengikut panjang ikatan hidrogen.
Sambungan ini memainkan peranan khas untuk organisma hidup, kerana kehadirannya dalam molekul protein menentukan struktur khasnya, dan seterusnya sifatnya. Selain itu, asid nukleik, membentuk heliks berganda DNA, juga disambungkan dengan tepat oleh ikatan hidrogen.
Komunikasi dalam kristal
Sebahagian besar pepejal mempunyai kekisi kristal - istimewasusunan bersama zarah-zarah yang membentuknya. Dalam kes ini, periodicity tiga dimensi diperhatikan, dan atom, molekul atau ion terletak di nod, yang disambungkan oleh garis khayalan. Bergantung pada sifat zarah ini dan ikatan antara mereka, semua struktur kristal dibahagikan kepada atom, molekul, ionik dan logam.
Terdapat kation dan anion dalam nod kekisi kristal ionik. Lebih-lebih lagi, setiap daripada mereka dikelilingi oleh bilangan ion yang ditentukan dengan ketat dengan hanya cas yang bertentangan. Contoh biasa ialah natrium klorida (NaCl). Ia cenderung mempunyai takat lebur dan kekerasan yang tinggi kerana ia memerlukan banyak tenaga untuk pecah.
Molekul bahan yang dibentuk oleh ikatan kovalen terletak pada nod kekisi kristal molekul (contohnya, I2). Mereka disambungkan antara satu sama lain oleh interaksi van der Waals yang lemah, dan oleh itu, struktur sedemikian mudah dimusnahkan. Sebatian sedemikian mempunyai takat didih dan lebur yang rendah.
Kekisi kristal atom dibentuk oleh atom unsur kimia dengan nilai valens yang tinggi. Mereka disambungkan oleh ikatan kovalen yang kuat, yang bermaksud bahawa bahan mempunyai takat didih yang tinggi, takat lebur dan kekerasan yang tinggi. Contohnya ialah berlian.
Oleh itu, semua jenis ikatan yang terdapat dalam bahan kimia mempunyai ciri tersendiri, yang menerangkan selok-belok interaksi zarah dalam molekul dan bahan. Sifat-sifat sebatian bergantung kepada mereka. Mereka menentukan semua proses yang berlaku dalam persekitaran.
