Wiązanie chemiczne
Dlaczego tworzą się wiązania chemiczne? W dużej mierze po to, aby obniżyć energię potencjalną (PE) układu. Energia potencjalna powstaje w wyniku interakcji ładunków dodatnich i ujemnych. Na poziomie atomowym ładunki dodatnie są przenoszone przez protony, a ujemne przez elektrony. PE można obliczyć korzystając z prawa Coulomba, które jest iloczynem dwóch ładunków, Q1 i Q2, podzielonym przez odległość między ładunkami, d. Jeśli dwa ładunki mają ten sam znak (+ class=GramE>,+ lub -,-), PE będzie liczbą dodatnią. Ładunki podobne odpychają się wzajemnie, więc dodatniePE jest czynnikiem destabilizującym. Jeśli dwa ładunki mają różne znaki, PE będzie ujemne. Wskazuje to na istnienie siły przyciągającej między ładunkami i jest czynnikiem stabilizującym. Wiązanie chemiczne prowadzi do obniżenia PE i tworzenia bardziej stabilnych gatunków chemicznych.
Wiązanie jonowe
Wiązania jonowe tworzą się między metalami i niemetalami. Metale to pierwiastki znajdujące się po lewej stronie Układu Okresowego. Najbardziej metalicznymi pierwiastkami są Cez i Wapń. Metale mają tendencję do utraty elektronów, aby osiągnąć konfigurację elektronową gazu szlachetnego. Grupy 1 i 2 (aktywneemetale) tracą 1 i 2 elektrony walencyjne, odpowiednio, ze względu na ich niskie energie jonizacji. Niemetale są ograniczone do elementów w prawym górnym rogu Układu Okresowego. Najbardziej niemetalicznym pierwiastkiem jest fluor. Niemetale mają tendencję do zdobywania elektronów, aby uzyskać konfiguracje gazu szlachetnego. Mają one stosunkowo wysokie powinowactwo elektronowe i wysokie energie jonizacji. Metale mają tendencję do tracenia elektronów, a niemetale mają tendencję do zyskiwania elektronów, więc w reakcjach z udziałem tych dwóch grup następuje przeniesienie elektronów z metalu na niemetal. Metal jest utleniany, a niemetal redukowany. Przykładem tego jest reakcja pomiędzy metalem, sodem, a niemetalem, chlorem. Atom sodu oddaje elektron, tworząc jon Na+, a cząsteczka chloru zyskuje elektrony, tworząc 2 jony Cl-. Ładunki na tych anionach i kationach są stabilizowane przez tworzenie sieci krystalicznej, w której każdy z jonów jest otoczony przez jony przeciwne.
Wiązanie kowalencyjne
Wiązanie kowalencyjne zachodzi pomiędzy niemetalami. Nie ma transferu elektronów, ale wymiana elektronów walencyjnych. Niemetale wszystkie mają dość wysokie energie jonizacji, co oznacza, że stosunkowo trudno jest usunąć ich elektrony walencyjne. Następnieon-metale mają również stosunkowo wysokie powinowactwo elektronowe, więc mają tendencję do przyciągania elektronów do siebie. Tak więc, dzielą elektrony walencyjne z innymi niemetalami. Wspólne elektrony są utrzymywane pomiędzy dwoma jądrami. Wzór związków kowalencyjnych przedstawia rzeczywistą liczbę atomów, które są połączone w celu utworzenia cząsteczek, jak C6H12O6 dla glukozy. Gatunki kowalencyjne istnieją jako pojedyncze cząsteczki.
Wiązanie metaliczne
Wiązanie metaliczne istnieje między atomami metali. Metale mają stosunkowo niskie energie jonizacji (łatwo usuwane elektrony), ale także niskie powinowactwo elektronowe (bardzo mała skłonność do zdobywania elektronów). Tak więc, metale będą dzielić się elektronami. Jednakże, jest to inny rodzaj wiązania niż wiązanie kowalencyjne. Metale posiadają wspólne elektrony walencyjne, ale nie są one zlokalizowane pomiędzy poszczególnymi atomami. Zamiast tego, są one rozmieszczone w całym metalu i są całkowicie zdelokalizowane. Są one często opisywane jako „morze” elektronów, które swobodnie przepływają pomiędzy atomami. Poniższa grafika próbuje to zobrazować. Ciemniejsze szare kule to jądra metalu i elektrony w rdzeniu. Jaśniejsze szare obszary są luźno trzymane elektrony walencyjne, które są efektywnie dzielone przez wszystkie atomy metalu.
Wiązanie jonowe – Energia sieciowa
Metale i niemetale oddziałują ze sobą tworząc związki jonowe. Przykładem tego jest reakcja pomiędzy Na i Cl2.
Poniższy link (który czasami działa, a czasami nie) pokazuje zachodzenie tej reakcji.
2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s)
Jest to bardzo egzotermiczna reakcja. Wydziela się duża ilość ciepła, co wskazuje na duży spadek PE układu.
Produkt, NaCl, jest znacznie trwalszy niż reagenty, Na i Cl2.
Reakcję tę można rozłożyć na kilka etapów, aby określić źródło tej energii. Spodziewamy się dużej liczby ujemnej jako ostatecznej odpowiedzi.
Najpierw jonizacji ulega sód:
Na (g) → Na+ + e- I1 = 494 kJ/mol
W celu usunięcia elektronu należy dodać energię.
Chlor jest zjonizowany:
Cl(g) + e- → Cl-sup> (g) Powinowactwo elektronowe = -349 kJ/mol
Energia jest oddawana, gdy chlor zyskuje elektron.
Suma tych dwóch jest dodatnia. Musi być jeszcze jeden krok. Ten krok obejmuje składanie jonów w sieć krystaliczną, więc nazywa się to energią sieci.
Dla NaCl jest to równe class=GramE>-787 kJ/mol.
Opowiada to silnemu przyciąganiu pomiędzy anionami (Cl-) i anionami (Na+) znajdującymi się w bliskiej odległości. Oddziaływanie jest kulombowskie, proporcjonalne do wielkości i znaku ładunków, a odwrotnie proporcjonalne do odległości między nimi.
Symbole kropek elektronowych Lewisa
Chemik, G.N. Lewis, opracował prosty sposób uwzględniania elektronów walencyjnych podczas tworzenia wiązań przez atomy. Symbole kropek elektronowych Lewisa reprezentują elektrony walencyjne na każdym atomie. Sam symbol pierwiastka reprezentuje jądro i elektrony rdzeniowe, a każda „kropka” reprezentuje elektron walencyjny.
Są one pokazane poniżej:
W przypadku metali, (na lewo od czerwonej linii) całkowita liczba kropek reprezentuje elektrony, które element może stracić w celu utworzenia kationu. W niemetalach (na prawo od czerwonej linii) liczba niesparowanych kropek reprezentuje liczbę elektronów, które mogą stać się sparowane, poprzez zysk lub dzielenie się elektronami. Tak więc, liczba niesparowanych kropek równa się albo ujemnemu ładunkowi anionu, który powstaje w wyniku przeniesienia elektronu z metalem, albo liczbie wiązań kowalencyjnych, które dany pierwiastek może utworzyć poprzez wymianę elektronów z innymi niemetalami. Mg, z dwoma kropkami, ma tendencję do tworzenia jonu Mg2+. Węgiel, z 4 niesparowanymi kropkami, może tworzyć jon węglikowy, C4-, podczas reakcji z metalami, lub może tworzyć cztery wiązania podczas reakcji z niemetalami.
Reakcja pomiędzy Na i Cl2 może być napisana w odniesieniu do ich struktur kropek elektronowych Lewisa.
Promienie jonowe
Gdy atomy tracą elektrony, aby utworzyć kationy, promień jonowy jest zawsze mniejszy niż promień atomowy. Jest mniej elektronów, przy niezmienionym ładunku jądrowym, Z. Oznacza to, że pozostałe elektrony będą trzymane mocniej i bliżej jądra. Gdy atomy zyskują elektrony tworząc aniony, promień jonowy jest zawsze większy niż promień atomowy. Przy większej ilości elektronów, odpychanie elektronu od elektronu jest większe, co powoduje destabilizację atomu i oddalenie elektronów od jądra. Poniżej znajduje się wykres promieni jonowych.
Pierwiastkowy sód jest większy niż pierwiastkowy chlor. Jednakże, gdy są one zjonizowane, ich względne rozmiary się odwracają. Bardzo trudno jest przewidzieć rozmiary bezwzględne.
Relatywne rozmiary mogą być przewidywane dla izoelektroniki, gatunków, które mają taką samą liczbę elektronów. Na przykład O2- i F- oba mają 10 elektronów. Ładunek jądrowy tlenu wynosi +8, a ładunek jądrowy fluoru +9. Ładunki dodatnie wzrastają, ale ładunki ujemne pozostają takie same (-10). Tak więc F- będzie mniejszy z powodu zwiększonego przyciągania (+9/-10 w stosunku do +8/-10). Serie In3+, Sn4+i Sb5+ wykazują ten sam trend. Wszystkie one mają 46e-, ale mają ładunki jądrowe odpowiednio +49, +50 i +51. Sb5+ jest najmniejszy z tych trzech.