Warum können sich Atome zu Molekülen verbinden? Was ist der Grund für die mögliche Existenz von Substanzen, die Atome völlig unterschiedlicher chemischer Elemente enth alten? Dies sind globale Probleme, die die grundlegenden Konzepte der modernen physikalischen und chemischen Wissenschaft betreffen. Sie können sie beantworten, wenn Sie eine Vorstellung von der elektronischen Struktur von Atomen haben und die Eigenschaften der kovalenten Bindung kennen, die die Grundlage für die meisten Verbindungsklassen bildet. Der Zweck unseres Artikels ist es, sich mit den Mechanismen der Bildung verschiedener Arten chemischer Bindungen und den Merkmalen der Eigenschaften von Verbindungen vertraut zu machen, die sie in ihren Molekülen enth alten.
Elektronische Struktur des Atoms
Elektroneutrale Materieteilchen, die ihre Strukturelemente sind, haben eine Struktur, die die Struktur des Sonnensystems widerspiegelt. So wie die Planeten um den Zentralstern - die Sonne - kreisen, bewegen sich die Elektronen im Atom um den positiv geladenen Kern. CharakterisierenIn einer kovalenten Bindung sind die Elektronen auf dem letzten Energieniveau und am weitesten vom Kern entfernt von Bedeutung. Da ihre Verbindung mit dem Zentrum ihres eigenen Atoms minimal ist, können sie leicht von den Kernen anderer Atome angezogen werden. Dies ist sehr wichtig für das Auftreten interatomarer Wechselwirkungen, die zur Bildung von Molekülen führen. Warum ist die molekulare Form die Hauptexistenzform der Materie auf unserem Planeten? Finden wir es heraus.
Grundeigenschaft von Atomen
Die Fähigkeit elektrisch neutraler Teilchen zur Wechselwirkung, die zu einem Energiegewinn führt, ist ihre wichtigste Eigenschaft. Tatsächlich ist der molekulare Zustand der Materie unter normalen Bedingungen stabiler als der atomare Zustand. Die Hauptbestimmungen der modernen Atom- und Molekültheorie erklären sowohl die Prinzipien der Bildung von Molekülen als auch die Eigenschaften einer kovalenten Bindung. Denken Sie daran, dass das äußere Energieniveau eines Atoms 1 bis 8 Elektronen enth alten kann, im letzteren Fall ist die Schicht vollständig, was bedeutet, dass sie sehr stabil ist. Atome von Edelgasen haben eine solche externe Ebenenstruktur: Argon, Krypton, Xenon - inerte Elemente, die jede Periode im System von D. I. Mendeleev vervollständigen. Die Ausnahme bildet hier Helium, das in der letzten Ebene nicht 8, sondern nur 2 Elektronen hat. Der Grund ist einfach: In der ersten Periode gibt es nur zwei Elemente, deren Atome eine einzige Elektronenschicht haben. Alle anderen chemischen Elemente haben 1 bis 7 Elektronen auf der letzten, unvollständigen Schicht. Im Prozess der Wechselwirkung miteinander werden die Atomestreben danach, bis zu einem Oktett mit Elektronen gefüllt zu werden und die Konfiguration eines Atoms eines inerten Elements wiederherzustellen. Ein solcher Zustand kann auf zwei Wegen erreicht werden: durch den Verlust eigener oder durch die Aufnahme fremder negativ geladener Teilchen. Diese Wechselwirkungsformen erklären, wie bestimmt werden kann, ob zwischen den reagierenden Atomen eine ionische oder kovalente Bindung entsteht.
Mechanismen zur Bildung einer stabilen elektronischen Konfiguration
Stellen wir uns vor, dass zwei einfache Substanzen an der Reaktion der Verbindung teilnehmen: metallisches Natrium und gasförmiges Chlor. Es entsteht eine Substanz aus der Klasse der Salze - Natriumchlorid. Es hat eine ionische Art der chemischen Bindung. Warum und wie kam es dazu? Wenden wir uns noch einmal dem Aufbau der Atome der Ausgangsstoffe zu. Natrium hat nur ein Elektron auf der letzten Schicht, das aufgrund des großen Atomradius schwach an den Kern gebunden ist. Die Ionisierungsenergie aller Alkalimetalle, einschließlich Natrium, ist gering. Daher verlässt das Elektron der äußeren Ebene die Energieebene, wird vom Kern des Chloratoms angezogen und bleibt in seinem Raum. Dies schafft einen Präzedenzfall für den Übergang des Cl-Atoms in die Form eines negativ geladenen Ions. Jetzt haben wir es nicht mehr mit elektrisch neutralen Teilchen zu tun, sondern mit geladenen Natriumkationen und Chloranionen. Zwischen ihnen entstehen gemäß den Gesetzen der Physik elektrostatische Anziehungskräfte und die Verbindung bildet ein Ionenkristallgitter. Der von uns betrachtete Mechanismus der Bildung des ionischen Typs einer chemischen Bindung wird dazu beitragen, die Besonderheiten und Hauptmerkmale einer kovalenten Bindung klarer zu klären.
Gemeinsame Elektronenpaare
Wenn eine ionische Bindung zwischen Atomen von Elementen auftritt, die sich in ihrer Elektronegativität stark unterscheiden, z. B. Metalle und Nichtmetalle, dann tritt der kovalente Typ auf, wenn Atome derselben oder verschiedener nichtmetallischer Elemente interagieren. Im ersten Fall spricht man üblicherweise von der unpolaren, im anderen von der polaren Form einer kovalenten Bindung. Der Mechanismus ihrer Bildung ist gemeinsam: Jedes der Atome gibt teilweise Elektronen zur gemeinsamen Nutzung ab, die paarweise kombiniert werden. Aber die räumliche Anordnung von Elektronenpaaren relativ zu den Atomkernen wird anders sein. Auf dieser Grundlage werden die Arten kovalenter Bindungen unterschieden - unpolar und polar. In chemischen Verbindungen, die aus Atomen nichtmetallischer Elemente bestehen, gibt es meistens Paare, die aus Elektronen mit entgegengesetztem Spin bestehen, d.h. in entgegengesetzten Richtungen um ihre Kerne rotieren. Denn die Bewegung negativ geladener Teilchen im Weltraum führt zur Bildung von Elektronenwolken, die letztlich in ihrer gegenseitigen Überlappung enden. Welche Folgen hat dieser Prozess für Atome und wozu führt er?
Physikalische Eigenschaften einer kovalenten Bindung
Es stellt sich heraus, dass sich zwischen den Zentren zweier wechselwirkender Atome eine Zwei-Elektronen-Wolke mit hoher Dichte befindet. Die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen der negativ geladenen Wolke selbst und den Atomkernen nehmen zu. Ein Teil der Energie wird freigesetzt und die Abstände zwischen den Atomzentren verringern sich. Zum Beispiel ist zu Beginn der Bildung eines Moleküls H2 der Abstand zwischen den Kernen von Wasserstoffatomenbeträgt 1,06 A, nach der Überlappung von Wolken und der Bildung eines gemeinsamen Elektronenpaars - 0,74 A. Beispiele für eine nach dem obigen Mechanismus gebildete kovalente Bindung können sowohl bei einfachen als auch bei komplexen anorganischen Substanzen gefunden werden. Sein Hauptunterscheidungsmerkmal ist das Vorhandensein gemeinsamer Elektronenpaare. Infolgedessen nimmt nach dem Entstehen einer kovalenten Bindung zwischen Atomen, z. B. Wasserstoff, jedes von ihnen die elektronische Konfiguration von inertem Helium an, und das resultierende Molekül hat eine stabile Struktur.
Raumform eines Moleküls
Eine weitere sehr wichtige physikalische Eigenschaft einer kovalenten Bindung ist die Direktionalität. Sie hängt von der räumlichen Anordnung des Stoffmoleküls ab. Wenn sich beispielsweise zwei Elektronen mit einer kugelförmigen Wolke überlagern, ist das Erscheinungsbild des Moleküls linear (Chlorwasserstoff oder Bromwasserstoff). Die Form von Wassermolekülen, in denen s- und p-Wolken hybridisieren, ist eckig, und sehr starke Partikel aus gasförmigem Stickstoff sehen aus wie eine Pyramide.
Struktur einfacher Stoffe - Nichtmetalle
Nachdem wir herausgefunden haben, welche Art von Bindung als kovalent bezeichnet wird, welche Zeichen sie hat, ist es nun an der Zeit, sich mit ihren Varianten zu befassen. Wenn Atome desselben Nichtmetalls - Chlor, Stickstoff, Sauerstoff, Brom usw. - miteinander interagieren, werden die entsprechenden einfachen Substanzen gebildet. Ihre gemeinsamen Elektronenpaare befinden sich ohne Verschiebung im gleichen Abstand von den Zentren der Atome. Für Verbindungen mit einer unpolaren Art von kovalenter Bindung sind die folgenden Merkmale inhärent: niedrige Siedepunkte undSchmelzen, Unlöslichkeit in Wasser, dielektrische Eigenschaften. Als nächstes werden wir herausfinden, welche Substanzen sich durch eine kovalente Bindung auszeichnen, bei der eine Verschiebung gemeinsamer Elektronenpaare auftritt.
Elektronegativität und ihr Einfluss auf die Art der chemischen Bindung
Die Eigenschaft eines bestimmten Elements, Elektronen von einem Atom eines anderen Elements anzuziehen, wird in der Chemie als Elektronegativität bezeichnet. Die von L. Pauling vorgeschlagene Werteskala für diesen Parameter ist in allen Lehrbüchern der anorganischen und allgemeinen Chemie zu finden. Sein höchster Wert - 4,1 eV - hat Fluor, der kleinere - andere aktive Nichtmetalle, und der niedrigste Indikator ist typisch für Alkalimetalle. Wenn Elemente mit unterschiedlicher Elektronegativität miteinander reagieren, zieht zwangsläufig ein aktiveres Element negativ geladene Teilchen eines Atoms eines passiveren Elements zu seinem Kern. Somit hängen die physikalischen Eigenschaften einer kovalenten Bindung direkt von der Fähigkeit der Elemente ab, Elektronen für den gemeinsamen Gebrauch abzugeben. Die resultierenden gemeinsamen Paare liegen nicht mehr symmetrisch zu den Kernen, sondern sind zum aktiveren Element hin verschoben.
Eigenschaften von Verbindungen mit polarer Bindung
Substanzen in Molekülen, deren gemeinsame Elektronenpaare in Bezug auf die Atomkerne asymmetrisch sind, umfassen Halogenwasserstoffe, Säuren, Verbindungen von Chalkogenen mit Wasserstoff und saure Oxide. Dies sind Sulfat- und Nitratsäuren, Oxide von Schwefel und Phosphor, Schwefelwasserstoff usw. Beispielsweise enthält ein Chlorwasserstoffmolekül ein gemeinsames Elektronenpaar,gebildet durch ungepaarte Elektronen von Wasserstoff und Chlor. Es ist näher an das Zentrum des Cl-Atoms verschoben, das ein elektronegativeres Element ist. Alle Stoffe mit einer polaren Bindung in wässrigen Lösungen dissoziieren in Ionen und leiten einen elektrischen Strom. Verbindungen mit einer polaren kovalenten Bindung, von denen wir Beispiele gegeben haben, haben auch höhere Schmelz- und Siedepunkte im Vergleich zu einfachen nichtmetallischen Substanzen.
Methoden zum Aufbrechen chemischer Bindungen
In der organischen Chemie folgen die Substitutionsreaktionen gesättigter Kohlenwasserstoffe mit Halogenen einem radikalischen Mechanismus. Eine Mischung aus Methan und Chlor reagiert im Licht und bei normaler Temperatur so, dass die Chlormoleküle beginnen, sich in Teilchen zu sp alten, die ungepaarte Elektronen tragen. Mit anderen Worten werden die Zerstörung des gemeinsamen Elektronenpaares und die Bildung sehr aktiver Radikale -Cl beobachtet. Sie sind in der Lage, Methanmoleküle so zu beeinflussen, dass sie die kovalente Bindung zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aufbrechen. Ein aktives Teilchen –H wird gebildet, und die freie Valenz des Kohlenstoffatoms nimmt ein Chlorradikal an, und Chlormethan wird das erste Produkt der Reaktion. Einen solchen Mechanismus der Molekülsp altung nennt man homolytisch. Geht das gemeinsame Elektronenpaar vollständig in den Besitz eines der Atome über, spricht man von einem heterolytischen Mechanismus, der charakteristisch für Reaktionen in wässrigen Lösungen ist. In diesem Fall erhöhen polare Wassermoleküle die Zerstörungsrate der chemischen Bindungen der gelösten Verbindung.
Doppelt und dreifachlinks
Die allermeisten organischen Substanzen und einige anorganische Verbindungen enth alten in ihren Molekülen nicht ein, sondern mehrere gemeinsame Elektronenpaare. Die Multiplizität der kovalenten Bindung verringert den Abstand zwischen Atomen und erhöht die Stabilität von Verbindungen. Sie werden üblicherweise als chemisch beständig bezeichnet. Beispielsweise gibt es in einem Stickstoffmolekül drei Elektronenpaare, die in der Strukturformel durch drei Striche gekennzeichnet sind und seine Stärke bestimmen. Der einfache Stoff Stickstoff ist chemisch inert und kann nur unter Erhitzen oder erhöhtem Druck sowie in Gegenwart von Katalysatoren mit anderen Verbindungen wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Metallen reagieren.
Doppel- und Dreifachbindungen sind Klassen organischer Verbindungen wie ungesättigten Dien-Kohlenwasserstoffen sowie Substanzen der Äthylen- oder Acetylen-Reihe eigen. Mehrfachbindungen bestimmen die wichtigsten chemischen Eigenschaften: Additions- und Polymerisationsreaktionen an den Bruchstellen.
In unserem Artikel haben wir die kovalente Bindung allgemein beschrieben und ihre Haupttypen untersucht.
