Az anyag apró, az emberi szem számára láthatatlan részecskékből áll, amelyeket ún. atomok y molekulákamelyek a ma ismert anyag fő alkotóelemei.
A fent említett részecskék általában belépni egy szakszervezeti folyamatba amely úgy ismert, mint kémiai kötésekEzeket a kémia tanulmányozza, hogy megértse a szemünk előtt naponta zajló, de nem könnyen érzékelhető biológiai és fizikai folyamatok ezreit. Rajtuk keresztül érthettük meg a világot alkotó események nagy részét: attól kezdve, hogy miért forr a víz egy bizonyos hőmérsékleten, egészen odáig, hogy a fémek hogyan szerveződnek ellenálló struktúrákká, vagy hogyan tartják össze az élet molekuláit.
Mik a kémiai kötések?
A világon minden dolog, beleértve az élőlényeket, mint például az embereket is, atomokból és molekulákból épül fel, amelyek egy úgynevezett folyamaton keresztül kapcsolódnak össze. kémiai kötésKöztudott, hogy minden élő szervezet, sőt még az élettelen tárgyak is anyagból épülnek fel, és ez kémiai kötések létrejöttétől és stabilitásának megőrzésétől függ.
Egyszerűen fogalmazva, a kémiai kötés az erő, ami összetartja őket két vagy több atom között egy molekulában vagy szilárd szerkezetben. Ez az erő származhat elektrontranszferÁltal elektronmegosztás vagy a létezése által decentralizált elektronikus felhők amelyek szabadon mozognak sok atom között, ahogyan az a fémeknél történik.
Attól függően, hogy az atomok és molekulák hogyan kapcsolódnak egymáshoz, meghatározható, hogy milyen típusú kémiai kötéssel van dolgunk, és a leggyakoribbak a következők: ionos kötések, The kovalens és fémesAzonban másfajta interakciók is léteznek, mint például hidrogénkötések és Van der Waals-erőkamelyek alapvető fontosságúak olyan anyagok szerkezetének megértéséhez, mint a víz vagy a fehérjék.
A kémiai kötéseket azok az ún. vonzóerők amelyek két vagy több atom egy bizonyos ideig tartó összekapcsolódását eredményezik, és amelyek lehetővé teszik az átvitelt, cserét vagy megosztást elektronok közöttük. Ezen kötések nélkül az atomok elszigeteltek maradnának, és a molekulák, valamint az általunk ismert anyagok nem léteznének.
A két atom között lejátszódó vonzási folyamat némileg összetett, de gondos elemzéssel könnyen megérthető. A legfontosabb tudnivaló az, hogy magok Az atommagok pozitív töltésűek (protonok), ezért taszítják egymást. Ezeket a magokat azonban a negatív töltésű elektronokamely egyszerre több atommaghoz is vonzódhat. Amikor egy atommag és egy másik atom elektronjai közötti vonzás kiegyenlíti az atommagok közötti taszítást, stabil kémiai kötés jön létre.
Amikor a kémiai kötés folyamata végbemegy, általában, ha nem is szinte mindig, egyes atomok elveszítik az elektronokat Míg mások megkeresik őket, vagy többé-kevésbé méltányosan osztják meg. A folyamat végén megfigyelhető egy elektromos stabilitás és az az energia, amely ezt az egyesülést kedvezővé teszi, és hogy a kapott anyag meghatározott tulajdonságokkal rendelkezik, mint például keménység, olvadáspont, vezetőképesség vagy oldhatóság.
A kémiai kötések általános osztályozása és intuitív nézete
Bár emelt szinten számos kategória és altípus meghatározható, az alapfokú oktatásban általában a következőkről beszélünk: A kémiai kötések három fő típusa A fő kötéstípusok az ionos, a kovalens és a fémes kötések. Ezenkívül más intermolekuláris kölcsönhatásokat is figyelembe veszünk, például... hidrogénkötések és Van der Waals-erőkamelyek bár gyengébbek, de elengedhetetlenek a folyadékok, molekuláris szilárd anyagok és biológiai rendszerek szerkezetéhez.
Hasznosnak találhatod, ha van egyfajta "emlékeztető rendszered", hogy megkülönböztesd az ilyen típusú kötéseket az elektronokkal történtek alapján:
- Kovalens kötés: az atomok megosztani elektronokat egymással. Egyik sem adja fel őket teljesen, hanem egy közös elektronikus pár jön létre.
- Ionos kötésegy atom elektronokat visz át egymáshoz. Az egyik elveszíti őket (pozitívvá válik), a másik pedig elnyeri (negatívvá válik); az ellentétes töltések közötti vonzás hozza létre a kötést.
- Fémes kötés: az elektronok mozognak szabadon sok fématom között, egyfajta delokalizált „elektronfelhőt” vagy „elektrontengert” alkotva.
Ebből az általános elképzelésből kiindulva számos részlet és tulajdonság finomítható, amelyeket minden egyes hivatkozástípusban látni fog.
Az 5 típusú kémiai kötés
A következők fognak megjelenni kémiai kötések legfontosabbakat és néhány jellemzőjüket, hogy megértsük, hogyan működnek és milyen szerepet játszanak a minket körülvevő világban.
Fém linkek
Az ilyen típusú hivatkozásoknál megfigyelhetjük, hogyan jön létre egy hivatkozás. elektronikus felhő Ez a szerkezet tartja össze az atomok teljes csoportját, és a szabad vegyértékelektronok alkotják. Röviden, a fématomok részben elveszítik legkülső elektronjaikat, amelyek megszűnnek egy adott atomhoz tartozni, és az egész fémszerkezetben megosztottá válnak.
Ebben a folyamatban megfigyelhetjük, hogyan alakulnak át az atomok pozitív ionok mozgó elektronok felhőjébe merülve, a szomszédos atomok elektronpárjainak megosztásának szokásos folyamata helyett, ez az elektrondelokalizáció számos dolgot megmagyaráz a fémek jellemző tulajdonságai, például magas elektromos és hővezető képessége miatt.
A fémes kötések gyakran alkotnak hálózatokat, amelyeket kristályosEzeknek a fémionoknak magas a koordinációs száma. Ez azt jelenti, hogy minden fémiont számos más ion vesz körül a rácsban, nagyon rendezett és ismétlődő pozíciókban, ami nagyon kompakt szerkezetet eredményez.
Ezen hálózatok felületein három különböző típusú fémes kristályrács figyelhető meg, amelyek eltérő koordinációs pontokkal rendelkeznek, amelyek a helyüktől függően változnak, végül pedig 12 pont, 8 pont és más esetekben, 6 pontAzt mondják azonban, hogy a szint a fématomok vegyértéke Mindig viszonylag kicsi, ami megkönnyíti a vegyértékelektronok delokalizációját.
Ennek az egyedi szerkezetnek köszönhetően a fémes kötések megmagyarázzák, hogy a fémek miért:
- Sean jó sofőrök az elektromosság, mivel az elektronfelhő könnyen mozog, ha potenciálkülönbséget alkalmazunk.
- Legyen magas Hővezetőlehetővé téve a hő gyors eloszlását.
- Sean képlékeny és képlékeny (laminálható vagy huzalokká húzható), mivel a fémionok egymáson elcsúszhatnak anélkül, hogy a kristály eltörne, köszönhetően annak a ténynek, hogy az elektronfelhő továbbra is fenntartja a kohéziót.
- Jelenlegi fémes ragyogásmivel a delokalizált elektronok jellegzetes módon kölcsönhatnak a fénnyel.
Ezen okok miatt a fémes kötések számos technológiai alkalmazás alapját képezik, a kábelek vezetésétől az épületszerkezetekig és az elektronikus alkatrészekig.
Ion kötések
Amikor arról beszélünk, ionos kötések Ez az alacsony ionizációs energiájú vagy alacsony elektronegativitású atomok (például fémek) és a sokkal nagyobb elektronegativitású atomok (például nemfémek) közötti kötésre utal. Ez jellemzően egy fém és egy nemfém.
Ahhoz, hogy ez megtörténjen, az egyik atomnak képesnek kell lennie arra, hogy elektronokat veszítés hogy a másik is képes megnyerni őket egymás után. A fém egy vagy több elektront lead, és pozitív ionná válik (kation), míg a nemfémes felveszi őket és negatív ionná válik (anionEzért ez a kötés olyan folyamatként írható le, amelyben két atom rendelkezik egy elektrosztatikus vonzás nagyon intenzív, amelyben az egyik nagyobb, a másik kisebb elektronvonzási hajlammal vesz részt.
Kimutatták, hogy sok nemfémes elem vegyértékhéján hiányzik egy vagy több elektron ahhoz, hogy képesek legyenek a saját elektronjaik aktiválására. teljes külső pályaÉs emiatt válnak receptorokká a folyamat során, és anionoknak nevezik őket. Például a klórnak egy elektronra van szüksége az oktettjének befejezéséhez és az ion létrehozásához. Cl⁻.
A fémes elemek az ún. kationok mivel pozitív töltéssel rendelkeznek, ami ellentétes az anionokkal. Mivel általában kevés elektronjuk van a legkülső héjukon, „könnyű” elveszíteniük azokat, és stabilabb konfigurációt elérniük. Tipikus példa erre a nátrium, amely elveszít egy elektront, és iont képez. Na⁺amely Cl⁻-val kötődve képezhet nátrium-klorid (közönséges só).
A leírtak alapján arra lehet következtetni, hogy az ilyen típusú kémiai kötésben az atomokat egy vonzza intenzív elektrosztatikus erőÉs ezért az anion vonzza a kationt. Ezen a ponton figyelhető meg, hogy az egyik atom elektronokat veszít, míg a másik felveszi azokat. Az elektronok teljes átadásától az ionos kötés nagyon erős lesz, és az ionok nagy klaszterekbe szerveződnek. kristályrácsok háromdimenziós.
Amikor ezt a vegyületet egy szilárdRendezett és stabil szerkezetben marad. Azonban, ha nedves környezetnek tesszük ki, vagy poláris folyadékokban, például... vízA kristályrács felbomlik, és az ionok szétválnak, de megtartják elektromos töltéseiket. Emiatt az ionos vegyületek vizes oldatai Vezetik az elektromosságot, míg egy tiszta szilárd anyag általában nem.
Az ionos vegyületeknek más közös jellemzőik is vannak:
- Su olvadáspont és a forrás általában magas, az ellentétes töltésű ionok közötti erős vonzás miatt.
- Általában azok törékenyHa deformálódnak, az ionrétegek eltolódnak, és az azonos töltésű ionok érintkezhetnek egymással, ami taszítást és kristálytörést okoz.
- Könnyen oldódnak benne poláris oldószerek mint a víz, mivel a vízmolekulák körülveszik és stabilizálják az ionokat.
- Elektromos áramot vezetnek, amikor vannak oldott vagy olvadtmivel az ionok szabadon mozoghatnak.
Mindezek a részletek alapvető fontosságúvá teszik az ionos kötéseket számos mindennapi folyamatban, például az ásványi sók összetételében, a biológiai oldatokban lévő elektrolitokban és a kerámia anyagokban.
Kovalens kötések
Az kovalens kötések Az atomok képesek arra, hogy vonzzák és osszák meg az elektronokat egymással. Ahelyett, hogy az egyik atom teljesen átadná elektronjait a másiknak, mindkettő egy vagy több elektronnal járul hozzá közös párok kialakításához. Kimutatták, hogy amikor ez megtörténik, az érintett ionok vagy atomok elektronikus konfigurációkat érnek el sokkal stabilabb.
Bár elmondható, hogy sokféle hivatkozás képes arra, hogy villamos vezetőkEbben az esetben kiderül, hogy a kovalens kötések által alkotott anyagok nagy része nem vezetőképes, különösen szilárd állapotban és semleges molekulák formájában. Vannak azonban figyelemre méltó kivételek, mint például a grafit, amelyben a delokalizált elektronok bizonyos mértékű vezetőképességet tesznek lehetővé.
Mind organikus anyag Főként kovalens kötésekből áll, mivel – mint korábban említettük – ezek általában nagy stabilitást biztosítanak, és lehetővé teszik nagyon összetett és változatos struktúrák kialakulását: láncok, gyűrűk, háromdimenziós hálózatok stb. A szén például mestere a többszörös kovalens kötések és az elágazó szerkezetek kialakításának.
Ezeknek a kötéseknek megvan a saját osztályozásuk, amely attól függ, hogy az elektronmegosztás szimmetrikus-e vagy sem. Általánosságban elmondható, hogy megkülönböztethetjük a poláris kovalens kötések és nem poláris, amelyet az alábbiakban röviden ismertetünk az elektronsűrűség eloszlásának különbségének tisztázása érdekében.
Ezen osztályozás mellett kovalens kötések is lehetnek egyszerű (egy közös elektronpár), kettős (két közös pár) vagy háromágyas (három közös pár), ami befolyásolja a kötés hosszát és erősségét: általában egy többszörös kovalens kötés intenzívebb rövid és erős mint egy egyszerű.
Poláris kovalens kötés
A linkek poláris kovalens Fő jellemzőjük, hogy teljesen aszimmetrikus az elektronsűrűség eloszlásában. Ez azt jelenti, hogy a kötött atomok megosztják az elektronokat, de nem egyenlően: az elektronsűrűbb atom elektronegatív Az egyik elektron erősebben vonzza a megosztott elektronokat, és enyhe részleges negatív töltéssel rendelkezik, míg a másik enyhe részleges pozitív töltéssel rendelkezik.
Ez a helyzet úgy képzelhető el, mintha a nagyobb elektronnegatív töltésű atomok két megosztható elektronnal vagy két elnyelhető térrel rendelkeznének, míg a másiknak csak eggyel, a lehetséges esetek eltérőek lehetnek. Bár a kvantumvalóságban ez árnyaltabb, az alapötlet az, hogy a A megosztás nem igazságos.
Ez a fajta kötés hasonlóan történik, mint az ionos kötések, abban az értelemben, hogy az elektronegativitásban is vannak különbségek, de a legfontosabb különbség az, hogy az atomok kötődéséhez a teljes elektronátadás helyett részleges elektronátadás történik. poláris kovalens kötés az elektronok egyenlőtlen eloszlása között. Ehhez két tényezőnek kell jelen lennie. különböző nemfémes elemek különböző elektronegativitással.
Klasszikus példa erre a molekula, víz (H₂O)Az oxigén sokkal elektronegatívabb, mint a hidrogén, ezért erősen vonzza a megosztott elektronokat, ami egy elektromos dipólus a molekulában: egy enyhén negatív zóna az oxigénen és két enyhén pozitív zóna a hidrogéneken.
E polaritás miatt a poláris kovalens molekulák kölcsönhatásba léphetnek egymással dipól-dipól erők és bizonyos esetekben hidrogénkötéseket képeznek. Ezek a kölcsönhatások olyan anyagoknak, mint a víz, olyan egyedi tulajdonságokat kölcsönöznek, mint például a molekulatömegéhez viszonyított magas forráspontja, a nagy felületi feszültsége, valamint az a képessége, hogy számos ionos és poláris anyagot oldjon.
Nempoláris kovalens kötés
A fent leírt kémiai kötéssel ellentétben ebben az esetben két vagy több atomnak kell jelen lennie. azonos típusú nemfémes vagy nagyon hasonló elektronegativitású elemeké. Ez egy kulcsfontosságú szempontból teljesen eltér a poláristól: a szimmetriaAmikor ugyanazon elem két atomja megosztja az elektronokat, a folyamat teljesen szimmetrikus, így egyensúlyban maradnak, és mindketten egyenlően vesznek fel és adnak le elektronokat.
Az elektronsűrűség egyenletes eloszlása miatt nem keletkeznek elektronok. jelentős részleges terhelések a kötés egyik végén sem; ezért a kötést apolárisnak nevezzük. A nem poláris kovalens kötések tipikus példái olyan molekulákban találhatók, mint a H₂ (molekuláris hidrogén), O₂ (molekuláris oxigén), NXNUMX (molekuláris nitrogén) vagy hosszú szénhidrogénláncokban, mint például sok olajban.
Az anyagok, amelyek főként nem poláris kovalens kötésekkel képződnek, általában vízben enyhén oldódik (ami egy poláris oldószer), és jobban oldódnak nem poláris oldószerekben, például egyes olajokban és szerves oldószerekben. Továbbá szobahőmérsékleten gáz vagy folyadék formájában fordulhatnak elő alacsony forráspontúpontosan azért, mert a molekulái közötti vonzóerők viszonylag gyengék.
Sok esetben egyetlen molekula poláris kovalens kötéseket tartalmazó régiókat, míg mások nem poláris kötéseket tartalmazó régiókat tartalmazhatnak. Ez olyan molekulákat eredményez, amelyek hidrofil (vízvonzó) és hidrofób (víztaszító) résszel rendelkeznek, ahogyan az a ... lipidek sejtmembránok. Ez a kettősség kulcsfontosságú a biológiai struktúrák, például a lipid kettősrétegek kialakulásához.
Hidrogénkötések
El hidrogén Jellemzője, hogy részlegesen pozitív töltésű, amikor poláris kovalens kötést képez egy erősen elektronegatív atommal, például oxigénnel, nitrogénnel vagy fluorral. Ahhoz, hogy ez a típusú intermolekuláris kötés létrejöjjön, a részlegesen pozitív hidrogént vonzania kell egy... elektronegatív atom egy másik molekulában vagy ugyanazon molekula egy másik részében lévő szabad elektronpárral.
Ennek a folyamatnak köszönhetően jön létre egy unió a kettő között, amelyet ún. hidrogénhídInnen kapta a kötés a nevét. Nem olyan erős, mint a kovalens kötés, de sokkal erősebb, mint más Van der Waals-kölcsönhatások, és számos anyag szerkezetében és tulajdonságaiban kulcsfontosságú szerepet játszik.
Egy nagyon reprezentatív példa a víz. Minden vízmolekula több hidrogénkötést képezhet a szomszédos molekulákkal, kiterjedt kölcsönhatást hozva létre. interakciók hálózata Ez magyarázza magas fajhőjét, molekulatömegéhez képest magas olvadás- és forráspontját, valamint a fagyás hatására bekövetkező tágulásának különös viselkedését. Mindez nagyrészt ezen kötések jelenlétének köszönhető.
Biológiai rendszerekben a hidrogénkötések Alapvető fontosságúak a molekulák háromdimenziós szerkezetének fenntartásához, ugyanolyan fontosak, mint a fehérjék és nukleinsavak (DNS és RNS). A DNS-ben például a komplementer nitrogénbázisok hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, ami lehetővé teszi a kettős spirál stabilizálódását és hű replikációját.
Linkek Van der Waalshoz
Az ilyen típusú interakcióban, a következő név alatt csoportosítva: Van der Waals-erők, a kettő közötti egyesülés megtalálható permanens dipólusok, valamint két között indukált dipólusok vagy annak a lehetősége, hogy egy permanens dipólus és egy indukált dipólus között kötések alakulnak ki. Ez csak akkor fordulhat elő, ha vannak olyan molekulák, amelyek valamilyen töltéseloszlással rendelkeznek, még ha csak pillanatnyilag is.
Ezek az erők akkor kezdenek hatni, amikor van egy vonzalom vagy taszítás molekulák között, vagy amikor ionok és semleges molekulák között kölcsönhatás lép fel, amely enyhén polarizálható. Bár ezek a kölcsönhatások viszonylag gyengék, együttesen nagyon fontossá válhatnak, különösen akkor, ha nagy molekulákban vagy molekuláris szilárd anyagokban összegződnek.
A van der Waals-erők megmagyarázzák például, hogy miért nemesgázokAz izolált, nem poláris atomokból álló molekulák alacsony hőmérsékleten képesek cseppfolyósodni és megszilárdulni: bár nem képeznek erős kémiai kötéseket, elektronjaik eloszlásának átmeneti ingadozása miatt gyenge vonzás van, ami pillanatnyi dipólusokat indukál.
Ők felelősek olyan anyagokért is, mint például olaj o las viaszok, amelyeket főként apoláris szénhidrogénláncok alkotnak, viszkozitást mutatnak és összetartoznak, vagy hogy egyes biológiai molekulák felismerik és összeillenek, mintha egy kirakós darabjai lennének, az ilyen típusú többszörös gyenge kölcsönhatások finom összekapcsolásának köszönhetően.
Hála annak az állandó tanulmányozásnak Minden típusú kémiai kötésre vonatkozik A meglévő az, hogy egy kicsit jobban megértettük az anyag működését, és azt, hogyan alakulhat át teljesen új termékké, vagy hogyan térhet vissza eredeti formájához az elektronok cseréje vagy újraelosztása során bekövetkező változás után, ahogyan azt ezek a folyamatok a legtöbbjében leírják.
Mindez a tudás a technológiai fejlődésnek köszönhető, mivel korábban az atomok létezéséről csak találgatások születtek, és erre példa a... atomi modellek nagy filozófiai gondolkodók javasolták. Bár nem álltak olyan messze a ma ismert ismeretektől, ezeket a folyamatokat sokkal jobban megértettük kísérletek, spektroszkópiai technikák, elektronmikroszkópia és számítógépes szimulációs eszközök segítségével.
Értsd meg a az anyagot alkotó kémiai kötések típusai Kulcsfontosságú annak magyarázatához, hogy miért rendelkeznek az egyes anyagok különleges tulajdonságokkal, hogyan képződnek az új anyagok, és mi a molekuláris alapja azoknak a biológiai és technológiai folyamatoknak, amelyek fenntartják a mindennapi életünket.