Chemická vazba
Proč vznikají chemické vazby? Z velké části proto, aby se snížila potenciální energie (PE) systému. Potenciální energie vzniká ze vzájemného působení kladných a záporných nábojů. Na atomové úrovni jsou kladné náboje neseny protony a záporné náboje jsou neseny elektrony.PE lze vypočítat pomocí Coulombova zákona, což je součin dvou nábojů Q1 a Q2 dělený vzdáleností mezi náboji d. Pokud mají oba náboje stejné znaménko (+ class=GramE>,+nebo -,-), PE bude kladné číslo. Podobné náboje se navzájem odpuzují, takže kladnýPE je destabilizující faktor. Pokud mají oba náboje různá znaménka, bude PE záporné. To značí přitažlivou sílu mezi náboji a je stabilizačním faktorem. Chemická vazba vede ke snížení PE a vzniku stabilnějších chemických druhů.
Iontová vazba
Iontové vazby vznikají mezi kovy a nekovy. Kovy jsou prvky na levé straně periodické tabulky. Nejkovovějšími prvky jsou cesium a francium. Kovy mají tendenci ztrácet elektrony, aby dosáhly elektronové konfigurace vzácných plynů. Skupiny 1 a 2 (aktivní kovy) ztrácejí 1, respektive 2 valenční elektrony kvůli svým nízkým ionizačním energiím. Nekovy jsou omezeny na prvky v pravém horním rohu periodické tabulky. Nejvíce nekovovým prvkem je fluor. Nekovy mají tendenci získávat elektrony, aby dosáhly konfigurace vzácných plynů. Mají relativně vysokou elektronovou afinitu a vysoké ionizační energie. Kovy mají tendenci elektrony ztrácet a nekovy mají tendenci elektrony získávat, takže v reakcích zahrnujících tyto dvě skupiny dochází k přenosu elektronů z kovu na nekov. Kov se oxiduje a nekov se redukuje. Příkladem je reakce mezi kovem, sodíkem, a nekovem, chlorem. Atom sodíku odevzdá elektron za vzniku iontu Na+ a molekula chlóru získá elektrony za vzniku 2 iontů Cl-. Náboje těchto aniontů a kationtů jsou stabilizovány vytvořením krystalové mřížky, v níž je každý z iontů obklopen protiionty.
Kovalentní vazba
Kovalentní vazba probíhá mezi nekovy. Nedochází k přenosu elektronů, ale ke sdílení valenčních elektronů. Všechny nekovy mají poměrně vysoké ionizační energie, což znamená, že je poměrně obtížné odebrat jejich valenční elektrony. Nekovy pak mají také poměrně vysokou elektronovou afinitu, takže mají tendenci k sobě elektrony přitahovat. Sdílejí tedy valenční elektrony s ostatními nekovy. Sdílené elektrony se drží mezi dvěma jádry. Vzorec kovalentních sloučenin představuje skutečný počet atomů, které jsou spojeny do molekul, například C6H12O6 pro glukózu. Kovalentní sloučeniny existují jako jednotlivémolekuly.
Kovová vazba
Kovová vazba existuje mezi atomy kovů. Kovy mají relativně nízké ionizačníenergie (snadno odnímatelné elektrony), ale také nízkou elektronovou afinitu (velmi malou tendenci získávat elektrony). Kovy tedy sdílejí elektrony. Jedná se však o jiný druh vazby než kovalentní vazba. Kovy sdílejí valenční elektrony, které však nejsou lokalizovány mezi jednotlivými atomy. Místo toho jsou rozloženy po celém kovu a jsou zcela delokalizované. Často se popisují jako „moře“ elektronů, které volně proudí mezi atomy. Níže uvedený graf se to pokouší znázornit. Tmavší šedé koule jsou jádra kovů a elektrony jádra. Světlejší šedé oblasti jsou volně držené valenční elektrony, které jsou fakticky sdíleny všemi atomy kovu.
Iontová vazba – mřížková energie
Kovy a nekovy na sebe vzájemně působí a vytvářejí iontové sloučeniny. Příkladem je reakce mezi Naa Cl2.
Níže uvedený odkaz (který někdy funguje a někdy ne) ukazuje průběh této reakce.
2 Na(s) + Cl2(g) → 2 NaCl(s)
Jedná se o extrémně exotermickou reakci. Uvolňuje se velké množství tepla, což znamená velký pokles PE soustavy.
Produkt, NaCl, je mnohem stabilnější než reaktanty, Na a Cl2.
Tuto reakci lze rozdělit do několika kroků a určit tak zdroj této energie. Jako konečnou odpověď očekáváme velké záporné číslo.
Nejprve dojde k ionizaci sodíku:
Na (g) → Na+ + e- I1 = 494 kJ/mol
K odebrání elektronu je třeba dodat energii.
Chlor se ionizuje:
Cl(g) + e- → Cl-sup> (g) Elektronová afinita = -349 kJ/mol
Energie se odevzdá, když chlor získá elektron.
Součet těchto dvou je kladný. Musí se tedy jednat o další krok. Tento krok zahrnuje sestavení iontů do krystalové mřížky, proto se nazývá mřížková energie.
Pro NaCl se rovná class=GramE>-787 kJ/mol.
To představuje silnou přitažlivost mezi anionty (Cl-)a anionty (Na+) drženými v těsné blízkosti. Interakce je coulombická, úměrná velikosti a znaménku nábojů a nepřímo úměrná jejich vzdálenosti.
Lewisovy elektronové tečkové symboly
Chemik G. N. Lewis vymyslel jednoduchý způsob, jak vysvětlit valenční elektrony při vytváření vazeb mezi atomy. Lewisovy elektronové tečky představují valenční elektrony na každém atomu. Samotný symbol prvku představuje jádro a elektrony jádra a každá „tečka“ představuje valenční elektron.
Tyto symboly jsou znázorněny níže:
U kovů (vlevo od červené čáry) představuje celkový počet teček elektrony, které může prvek ztratit, aby vytvořil kationt. U nekovů (vpravo od červené čáry) představuje počet nepárových teček počet elektronů, které se mohou stát párovými, a to prostřednictvím zisku nebo sdíleníelektronů. Počet nepárových bodů se tedy rovná buď zápornému náboji aniontu, který vzniká přenosem elektronů s kovem, nebo počtu kovalentních vazeb, které může prvek vytvořit sdílením elektronů s jinými nekovy. Mg se dvěma tečkami má tendenci tvořit ion Mg2+. Uhlík se čtyřmi nepárovými tečkami může při reakci s kovy tvořit karbidový iont C4- nebo může při reakci s nekovy tvořit čtyři vazby.
Reakci mezi Na a Cl2 lze zapsat interms jejich Lewisovy elektronové bodové struktury.
Iontové poloměry
Pokud atomy ztrácejí elektrony za vzniku kationtů, je iontový poloměr vždy menší než atomový poloměr. Je zde méně elektronů při nezměněnémjaderném náboji Z. To znamená, že zbývající elektrony budou drženy silněji a těsněji u jádra. Když atomy získávají elektronya vytvářejí anionty, je iontový poloměr vždy větší než atomový poloměr. S větším počtem elektronů je odpudivý člen elektron/elektron větší, což destabilizuje atom a ponechává elektrony dále od jádra. Níže je uveden graf iontových poloměrů.
Elementární sodík je větší než elementární chlor. Při jejich ionizaci se však jejichrelativní velikosti obrátí. Je velmiobtížné předpovědět absolutní velikosti.
Relativní velikosti lze předpovědět pro izoelektrony, tedy druhy, které mají stejný počet elektronů. Například O2- a F- mají oba 10 elektronů. Jadernýnáboj kyslíku je +8 a jaderný náboj fluoru je +9. Kladné náboje se zvyšují, ale záporné náboje zůstávají stejné (-10). F- bude tedy menší v důsledku zvýšené přitažlivosti (+9/-10 oproti +8/-10). Série In3+, Sn4+a Sb5+ vykazují stejný trend. Všechny mají 46e-, ale jejich jaderné náboje jsou +49, +50 a +51. Sb5+ je ze všech tří nejmenší.