Ang konsepto ng isang kemikal na bono ay walang maliit na kahalagahan sa iba't ibang larangan ng kimika bilang isang agham. Ito ay dahil sa katotohanan na sa tulong nito na ang mga indibidwal na atomo ay maaaring magsama-sama sa mga molekula, na bumubuo ng lahat ng uri ng mga sangkap, na, naman, ay paksa ng kemikal na pananaliksik.
Ang pagkakaiba-iba ng mga atomo at molekula ay nauugnay sa paglitaw ng iba't ibang uri ng mga bono sa pagitan nila. Ang iba't ibang klase ng mga molekula ay nailalarawan sa pamamagitan ng kanilang sariling mga katangian ng pamamahagi ng mga electron, at samakatuwid ang kanilang sariling mga uri ng mga bono.
Mga pangunahing konsepto
Ang kemikal na bono ay isang hanay ng mga pakikipag-ugnayan na humahantong sa pagbubuklod ng mga atom upang bumuo ng mga matatag na particle ng isang mas kumplikadong istraktura (mga molekula, ion, radical), pati na rin ang mga pinagsama-samang (mga kristal, baso, atbp.). Ang kalikasan ng mga pakikipag-ugnayang ito ay likas na elektrikal, at lumilitaw ang mga ito sa panahon ng pamamahagi ng mga valence electron sa papalapit na mga atom.
Ang
Valency ay karaniwang tinatawag na kakayahan ng isang atom na bumuo ng isang tiyak na bilang ng mga bono sa ibang mga atom. Sa mga ionic compound, ang bilang ng ibinigay o nakakabit na mga electron ay kinukuha bilang halaga ng valence. ATsa mga covalent compound, ito ay katumbas ng bilang ng mga karaniwang pares ng elektron.
Ang oxidation state ay nauunawaan bilang conditional charge na maaaring nasa isang atom kung ang lahat ng polar covalent bond ay ionic.
Ang bond multiplicity ay ang bilang ng ibinahaging mga pares ng electron sa pagitan ng mga itinuturing na atom.
Ang mga bono na isinasaalang-alang sa iba't ibang sangay ng chemistry ay maaaring nahahati sa dalawang uri ng mga kemikal na bono: ang mga humahantong sa pagbuo ng mga bagong substance (intramolecular), at ang mga nanggagaling sa pagitan ng mga molekula (intermolecular).
Mga pangunahing katangian ng komunikasyon
Ang nagbubuklod na enerhiya ay ang enerhiya na kinakailangan upang masira ang lahat ng umiiral na mga bono sa isang molekula. Ito rin ang enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng bono.
Ang haba ng bono ay ang distansya sa pagitan ng katabing nuclei ng mga atomo sa isang molekula, kung saan balanse ang mga puwersa ng pagkahumaling at pagtanggi.
Ang dalawang katangiang ito ng kemikal na bono ng mga atom ay isang sukatan ng lakas nito: mas maikli ang haba at mas malaki ang enerhiya, mas malakas ang bono.
Ang anggulo ng bono ay karaniwang tinatawag na anggulo sa pagitan ng mga kinakatawan na linya na dumadaan sa direksyon ng pagbubuklod sa pamamagitan ng nuclei ng mga atomo.
Mga paraan para sa paglalarawan ng mga link
Ang pinakakaraniwang dalawang diskarte sa pagpapaliwanag ng chemical bond, na hiniram mula sa quantum mechanics:
Paraan ng mga molecular orbital. Isinasaalang-alang niya ang isang molekula bilang isang set ng mga electron at nuclei ng mga atomo, na ang bawat indibidwal na elektron ay gumagalaw sa larangan ng pagkilos ng lahat ng iba pang mga electron at nuclei. Ang molekula ay may orbital na istraktura, at ang lahat ng mga electron nito ay ipinamamahagi sa mga orbit na ito. Gayundin, ang pamamaraang ito ay tinatawag na MO LCAO, na nangangahulugang "molecular orbital - isang linear na kumbinasyon ng mga atomic orbital".
Paraan ng mga valence bond. Kinakatawan ang isang molekula bilang isang sistema ng dalawang gitnang molekular na orbital. Bukod dito, ang bawat isa sa kanila ay tumutugma sa isang bono sa pagitan ng dalawang katabing mga atomo sa molekula. Ang pamamaraan ay batay sa mga sumusunod na probisyon:
- Ang pagbuo ng isang kemikal na bono ay isinasagawa ng isang pares ng mga electron na may magkasalungat na mga spin, na matatagpuan sa pagitan ng dalawang itinuturing na mga atomo. Ang nabuong pares ng elektron ay nabibilang sa dalawang atom na pantay.
- Ang bilang ng mga bono na nabuo ng isa o ibang atom ay katumbas ng bilang ng mga hindi magkapares na electron sa lupa at nasasabik na estado.
- Kung ang mga pares ng elektron ay hindi nakikibahagi sa pagbuo ng isang bono, kung gayon ang mga ito ay tinatawag na nag-iisang pares.
Electronegativity
Posibleng matukoy ang uri ng chemical bond sa mga substance batay sa pagkakaiba sa mga halaga ng electronegativity ng mga constituent atoms nito. Ang electronegativity ay nauunawaan bilang ang kakayahan ng mga atom na makaakit ng mga karaniwang pares ng electron (electron cloud), na humahantong sa bond polarization.
May iba't ibang paraan upang matukoy ang mga halaga ng electronegativity ng mga elemento ng kemikal. Gayunpaman, ang pinakakaraniwang ginagamit ay ang iskala batay sa thermodynamic data, na iminungkahi noong 1932 ni L. Pauling.
Kung mas malaki ang pagkakaiba sa electronegativity ng mga atom, mas malinaw ang ionicity nito. Sa kabaligtaran, ang pantay o malapit na mga halaga ng electronegativity ay nagpapahiwatig ng covalent na katangian ng bono. Sa madaling salita, posibleng matukoy kung aling kemikal na bono ang sinusunod sa isang partikular na molekula sa matematika. Upang gawin ito, kailangan mong kalkulahin ang ΔX - ang pagkakaiba sa electronegativity ng mga atom ayon sa formula: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Kung ΔХ>1, 7, ang bond ay ionic.
- Kung 0.5≦ΔХ≦1.7, ang covalent bond ay polar.
- Kung ΔХ=0 o malapit dito, ang bono ay covalent non-polar.
Ionic bond
Ang
Ionic ay isang bono na lumilitaw sa pagitan ng mga ion o dahil sa kumpletong pag-withdraw ng isang karaniwang pares ng elektron ng isa sa mga atomo. Sa mga substance, ang ganitong uri ng chemical bonding ay isinasagawa sa pamamagitan ng mga puwersa ng electrostatic attraction.
Ang
Ion ay mga particle na may charge na nabuo mula sa mga atom bilang resulta ng pagkuha o pagkawala ng mga electron. Kapag ang isang atom ay tumatanggap ng mga electron, ito ay nakakakuha ng negatibong singil at nagiging isang anion. Kung ang isang atom ay nag-donate ng mga valence electron, ito ay magiging isang positively charged na particle na tinatawag na isang cation.
Ito ay katangian ng mga compound na nabuo sa pamamagitan ng interaksyon ng mga atomo ng mga tipikal na metal sa mga atomo ng mga tipikal na di-metal. Ang pangunahing ng prosesong ito ay ang aspirasyon ng mga atomo na makakuha ng matatag na mga pagsasaayos ng elektroniko. At para dito, ang mga tipikal na metal at non-metal ay kailangang magbigay o tumanggap lamang ng 1-2 electron,na madali nilang ginagawa.
Ang mekanismo ng pagbuo ng isang ionic chemical bond sa isang molekula ay tradisyonal na isinasaalang-alang gamit ang halimbawa ng interaksyon ng sodium at chlorine. Ang mga alkali metal na atom ay madaling nag-donate ng isang electron na hinila ng isang halogen atom. Ang resulta ay ang Na+ cation at ang Cl- anion, na pinagsasama-sama ng electrostatic attraction.
Walang perpektong ionic bond. Kahit na sa naturang mga compound, na madalas na tinutukoy bilang ionic, ang huling paglipat ng mga electron mula sa atom patungo sa atom ay hindi nangyayari. Ang nabuong pares ng elektron ay nananatiling karaniwang ginagamit. Samakatuwid, pinag-uusapan nila ang antas ng ionicity ng isang covalent bond.
Ang
Ionic bonding ay nailalarawan sa pamamagitan ng dalawang pangunahing katangian na nauugnay sa isa't isa:
- non-directional, ibig sabihin, ang electric field sa paligid ng ion ay may hugis ng isang sphere;
- Unsaturation, ibig sabihin, ang bilang ng mga ion na magkasalungat na naka-charge na maaaring ilagay sa paligid ng anumang ion, ay tinutukoy ng kanilang laki.
Covalent chemical bond
Ang bono na nabuo kapag ang mga ulap ng elektron ng mga non-metal na atomo ay nagsasapawan, ibig sabihin, isinasagawa ng isang karaniwang pares ng elektron, ay tinatawag na covalent bond. Tinutukoy ng bilang ng mga nakabahaging pares ng mga electron ang multiplicity ng bond. Kaya, ang mga atomo ng hydrogen ay pinag-uugnay ng isang bono ng H··H, at ang mga atomo ng oxygen ay bumubuo ng isang dobleng bono O::O.
Mayroong dalawang mekanismo para sa pagbuo nito:
- Exchange - ang bawat atom ay kumakatawan sa isang electron para sa pagbuo ng isang karaniwang pares: A +B=A: B, habang ang koneksyon ay nagsasangkot ng mga panlabas na atomic orbital, kung saan matatagpuan ang isang electron.
- Donor-acceptor - upang bumuo ng isang bono, ang isa sa mga atomo (donor) ay nagbibigay ng isang pares ng mga electron, at ang pangalawa (acceptor) - isang libreng orbital para sa paglalagay nito: A +:B=A:B.
Ang mga paraan kung saan nagsasapawan ang mga electron cloud kapag nabuo ang isang covalent chemical bond.
- Direkta. Ang cloud overlap na rehiyon ay nasa isang tuwid na haka-haka na linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga itinuturing na atomo. Sa kasong ito, nabuo ang mga σ-bond. Ang uri ng chemical bond na nangyayari sa kasong ito ay depende sa uri ng electron clouds na sumasailalim sa overlap: s-s, s-p, p-p, s-d o p-d σ-bond. Sa isang particle (molekula o ion), isang σ-bond lang ang maaaring mangyari sa pagitan ng dalawang magkatabing atom.
- Gilid. Isinasagawa ito sa magkabilang panig ng linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga atomo. Ito ay kung paano nabuo ang isang π-bond, at posible rin ang mga varieties nito: p-p, p-d, d-d. Hiwalay sa σ-bond, ang π-bond ay hindi kailanman nabuo; maaari itong nasa mga molekula na naglalaman ng maramihang (double at triple) bond.
Covalent bond properties
Tinutukoy nila ang kemikal at pisikal na katangian ng mga compound. Ang mga pangunahing katangian ng anumang chemical bond sa mga substance ay ang directionality, polarity at polarizability nito, pati na rin ang saturation.
Ang direksyon ng bono ay tumutukoy sa mga tampok ng molekularang istraktura ng mga sangkap at ang geometriko na hugis ng kanilang mga molekula. Ang kakanyahan nito ay nakasalalay sa katotohanan na ang pinakamahusay na overlap ng mga ulap ng elektron ay posible sa isang tiyak na oryentasyon sa espasyo. Ang mga opsyon para sa pagbuo ng σ- at π-bond ay isinaalang-alang na sa itaas.
Ang saturation ay nauunawaan bilang ang kakayahan ng mga atom na bumuo ng isang tiyak na bilang ng mga kemikal na bono sa isang molekula. Ang bilang ng mga covalent bond para sa bawat atom ay nililimitahan ng bilang ng mga panlabas na orbital.
Ang polarity ng bono ay nakasalalay sa pagkakaiba sa mga halaga ng electronegativity ng mga atom. Tinutukoy nito ang pagkakapareho ng pamamahagi ng mga electron sa pagitan ng nuclei ng mga atomo. Ang covalent bond sa batayan na ito ay maaaring polar o non-polar.
- Kung ang karaniwang pares ng elektron ay pantay na kabilang sa bawat atom at matatagpuan sa parehong distansya mula sa kanilang nuclei, kung gayon ang covalent bond ay non-polar.
- Kung ang karaniwang pares ng mga electron ay inilipat sa nucleus ng isa sa mga atom, mabubuo ang isang covalent polar chemical bond.
Ang
Polarizability ay ipinahayag sa pamamagitan ng pag-displace ng mga bond electron sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field, na maaaring kabilang sa isa pang particle, mga kalapit na bond sa parehong molekula, o nagmula sa mga panlabas na pinagmumulan ng mga electromagnetic field. Kaya, maaaring baguhin ng covalent bond sa ilalim ng kanilang impluwensya ang polarity nito.
Sa ilalim ng hybridization ng mga orbital ay nauunawaan ang pagbabago sa kanilang mga anyo sa pagpapatupad ng isang kemikal na bono. Ito ay kinakailangan upang makamit ang pinaka-epektibong overlap. Mayroong mga sumusunod na uri ng hybridization:
- sp3. Isang s- at tatlong p-orbital ang bumubuo ng apat"hybrid" orbitals ng parehong hugis. Sa panlabas, ito ay kahawig ng isang tetrahedron na may anggulo sa pagitan ng mga palakol na 109 °.
- sp2. Isang s- at dalawang p-orbital ang bumubuo ng flat triangle na may anggulo sa pagitan ng mga axes na 120°.
- sp. Isang s- at isang p-orbital ang bumubuo ng dalawang "hybrid" na orbital na may anggulo sa pagitan ng kanilang mga axes na 180°.
Metal bond
Ang isang tampok ng istraktura ng mga metal na atom ay medyo malaking radius at ang pagkakaroon ng isang maliit na bilang ng mga electron sa mga panlabas na orbital. Bilang resulta, sa gayong mga kemikal na elemento, ang bono sa pagitan ng nucleus at valence electron ay medyo mahina at madaling masira.
Ang metal bond ay isang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga metal na atoms-ion, na isinasagawa sa tulong ng mga na-delocalize na electron.
Sa mga metal na particle, ang mga valence electron ay madaling umalis sa mga panlabas na orbital, pati na rin sakupin ang mga bakanteng lugar sa kanila. Kaya, sa iba't ibang panahon, ang parehong particle ay maaaring isang atom at isang ion. Ang mga electron na napunit mula sa kanila ay malayang gumagalaw sa buong volume ng crystal lattice at nagsasagawa ng chemical bond.
Ang ganitong uri ng bono ay may pagkakatulad sa ionic at covalent. Pati na rin para sa ionic, ang mga ion ay kinakailangan para sa pagkakaroon ng isang metal na bono. Ngunit kung para sa pagpapatupad ng pakikipag-ugnayan ng electrostatic sa unang kaso, ang mga cation at anion ay kinakailangan, kung gayon sa pangalawa, ang papel ng mga negatibong sisingilin na mga particle ay nilalaro ng mga electron. Kung ihahambing natin ang isang metal na bono na may isang covalent bond, kung gayon ang pagbuo ng pareho ay nangangailangan ng mga karaniwang electron. Gayunpaman, sahindi tulad ng isang polar chemical bond, hindi sila naka-localize sa pagitan ng dalawang atom, ngunit nabibilang sa lahat ng metal particle sa crystal lattice.
Ang mga metal na bono ay may pananagutan para sa mga espesyal na katangian ng halos lahat ng mga metal:
- plasticity, naroroon dahil sa posibilidad ng pag-aalis ng mga layer ng atoms sa crystal lattice na hawak ng electron gas;
- metallic luster, na nakikita dahil sa repleksiyon ng light rays mula sa mga electron (sa powder state ay walang crystal lattice at, samakatuwid, ang mga electron na gumagalaw dito);
- electrical conductivity, na isinasagawa ng isang stream ng mga naka-charge na particle, at sa kasong ito, ang maliliit na electron ay malayang gumagalaw sa mga malalaking metal ions;
- thermal conductivity, naobserbahan dahil sa kakayahan ng mga electron na maglipat ng init.
Hydrogen bond
Ang ganitong uri ng chemical bond ay tinatawag minsan na intermediate sa pagitan ng covalent at intermolecular na interaksyon. Kung ang isang hydrogen atom ay may bond sa isa sa mga malakas na electronegative na elemento (gaya ng phosphorus, oxygen, chlorine, nitrogen), kung gayon ito ay makakabuo ng karagdagang bond, na tinatawag na hydrogen.
Ito ay higit na mahina kaysa sa lahat ng uri ng mga bono na isinasaalang-alang sa itaas (ang enerhiya ay hindi hihigit sa 40 kJ/mol), ngunit hindi ito maaaring pabayaan. Iyon ang dahilan kung bakit ang hydrogen chemical bond sa diagram ay mukhang isang tuldok na linya.
Posible ang paglitaw ng isang hydrogen bond dahil sa electrostatic na interaksyon ng donor-acceptor sa parehong oras. Malaking pagkakaiba sa mga halagaAng electronegativity ay humahantong sa paglitaw ng labis na density ng elektron sa mga atomo O, N, F at iba pa, pati na rin ang kakulangan nito sa hydrogen atom. Kung sakaling walang umiiral na kemikal na bono sa pagitan ng mga naturang atomo, ang mga kaakit-akit na puwersa ay isinaaktibo kung sila ay sapat na malapit. Sa kasong ito, ang proton ay isang electron pair acceptor, at ang pangalawang atom ay isang donor.
Ang pagbubuklod ng hydrogen ay maaaring mangyari sa pagitan ng magkalapit na mga molekula, halimbawa, tubig, mga carboxylic acid, alkohol, ammonia, at sa loob ng isang molekula, halimbawa, salicylic acid.
Ang pagkakaroon ng hydrogen bond sa pagitan ng mga molekula ng tubig ay nagpapaliwanag ng ilang natatanging katangiang pisikal:
- Ang mga halaga ng kapasidad ng init nito, dielectric constant, kumukulo at mga punto ng pagkatunaw, alinsunod sa mga kalkulasyon, ay dapat na mas mababa kaysa sa mga tunay, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagbubuklod ng mga molekula at ang pangangailangang gumastos enerhiya para masira ang intermolecular hydrogen bonds.
- Hindi tulad ng ibang substance, kapag bumaba ang temperatura, tumataas ang volume ng tubig. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga molekula ay sumasakop sa isang tiyak na posisyon sa kristal na istraktura ng yelo at lumalayo sa isa't isa sa haba ng hydrogen bond.
Ang koneksyon na ito ay gumaganap ng isang espesyal na papel para sa mga buhay na organismo, dahil ang presensya nito sa mga molekula ng protina ay tumutukoy sa kanilang espesyal na istraktura, at samakatuwid ang kanilang mga katangian. Bilang karagdagan, ang mga nucleic acid, na bumubuo sa double helix ng DNA, ay tiyak ding konektado sa pamamagitan ng mga hydrogen bond.
Mga komunikasyon sa mga kristal
Ang karamihan sa mga solid ay may kristal na sala-sala - isang espesyalang magkaparehong pag-aayos ng mga particle na bumubuo sa kanila. Sa kasong ito, ang tatlong-dimensional na periodicity ay sinusunod, at ang mga atomo, molekula o ion ay matatagpuan sa mga node, na konektado ng mga haka-haka na linya. Depende sa likas na katangian ng mga particle na ito at sa mga bono sa pagitan ng mga ito, ang lahat ng mga istrukturang kristal ay nahahati sa atomic, molecular, ionic at metallic.
May mga cation at anion sa mga node ng ionic crystal lattice. Bukod dito, ang bawat isa sa kanila ay napapalibutan ng isang mahigpit na tinukoy na bilang ng mga ion na may kabaligtaran lamang na singil. Ang karaniwang halimbawa ay sodium chloride (NaCl). May posibilidad silang magkaroon ng mataas na lebel ng pagkatunaw at katigasan dahil nangangailangan sila ng maraming enerhiya upang masira.
Ang mga molekula ng mga substance na nabuo ng isang covalent bond ay matatagpuan sa mga node ng molecular crystal lattice (halimbawa, I2). Ang mga ito ay konektado sa isa't isa sa pamamagitan ng isang mahinang interaksyon ng van der Waals, at samakatuwid, ang gayong istraktura ay madaling sirain. Ang mga naturang compound ay may mababang mga punto ng pagkulo at pagkatunaw.
Ang atomic crystal na sala-sala ay nabuo ng mga atom ng mga elemento ng kemikal na may mataas na halaga ng valence. Ang mga ito ay konektado sa pamamagitan ng malakas na covalent bond, na nangangahulugan na ang mga sangkap ay may mataas na mga punto ng kumukulo, mga punto ng pagkatunaw at mataas na katigasan. Ang isang halimbawa ay isang brilyante.
Kaya, ang lahat ng uri ng mga bono na matatagpuan sa mga kemikal ay may kani-kaniyang katangian, na nagpapaliwanag sa mga pagkasalimuot ng interaksyon ng mga particle sa mga molekula at sangkap. Ang mga katangian ng mga compound ay nakasalalay sa kanila. Tinutukoy nila ang lahat ng prosesong nagaganap sa kapaligiran.
