Cheminiai ryšiai: atomų jungtys, tipai ir savybės

Išsamus vadovas apie cheminius ryšius: atomų jungtys, kovalentiniai ir joniniai ryšiai, jų tipai, savybės ir paaiškinimai studentams bei chemijos entuziastams.

Cheminiai ryšiai - tai tai, kas sujungia atomus į stabilesnes struktūras. Susijungę atomai lieka kartu tol, kol ryšiui galima įveikti išsiskyrimo energiją — kitaip sakant, jei ryšiui neperduodamas reikiamas energijos kiekis, jungtis neišsiskiria. Cheminiai ryšiai kyla dėl elektrostatinių sąveikų tarp neigiamai įkrautų elektronų ir teigiamų branduolių; dažniausiai stiprus ryšys atsiranda, kai atomai dalijasi arba perduoda elektronus.

Atomai ir molekulės, esančios molekulėse, kristaluose, metaluose ir dviatomėse dujose, yra sujungtos cheminiais ryšiais. Kadangi atomai ir molekulės yra trimačiai, vieno paprasto 2D metodo nepakanka visoms sąveikoms atvaizduoti — naudojamos kelios reprezentacijos: elektronų taškų ir brūkšnių (Lewis struktūros), strukūrinės formulės, 3D modeliai ir molekulinės orbitalės.

Ryšių tipai

• Kovalentiniairyšiai: susidaro, kai atomai dalijasi elektronų poromis. Gali būti nepoliniai (vienodas elektronų pasidalijimas) arba poliniai (netolygus pasidalijimas dėl skirtingos elektroneigiamybės). Kovalentiniai ryšiai apima viengubus, dvigubi arba trigubi. Didesnis ryšio eiliškumas (dvigubas, trigubas) paprastai reiškia trumpesnį ir stipresnį ryšį (pvz., H2 — viengubas, O2 — dvigubas, N2 — trigubas).
• Joninis ryšys - susidaro, kai vienas arba keli elektronai perduodami iš vieno atomo kitam, susidarant priešingai įkrautoms dalelėms — jonų — ir jas jungiančiai elektrostatinei traukai. Joninės medžiagos dažnai turi aukštus lydymosi taškus ir tirpsta poliniuose tirpikliuose.
• Metalinis ryšys: metaluose atomai dalijasi „elektronų jūra“ — laisvais valentiniais elektronais, kurių judėjimas suteikia metalams laidumą, blizgesį ir klinkmą (kalinamumas)
• Koor-dinacinis (donoras-akceptorius) ryšys: viena atomo orbitalė duoda abiejų elektronų porą, kurią priima kitas atomas; kvazitikslas kovalentiniam ryšiui, svarbus kompleksuose ir biologinėse molekulėse.
• Silpnesnės tarp molekulių veikiančios sąveikos: vandeniliniai ryšiai (stipresnė dipolio-dipolio forma, svarbi vandens ir baltymų struktūrai) bei Van der Waals jėgos (Londono dispersijos ir dipolio-dipolio sąveikos), lemiančios dujų kondensaciją, molekulių likimą skystyje ir kt.

Kaip cheminius ryšius vaizduoja ir skaičiuoja

Dažniausiai cheminius ryšius apibūdina pagal elektronų, kuriuos turi kiekvienas atomas, skaičių. Kiekvienas atomas piešiamas su elektronų skaičiumi taškais arba linijomis, kad jų būtų ne daugiau kaip aštuoni (oktetų taisyklė). Jei elektronai sudaro cheminį ryšį, tarp dviejų elektronų brėžiama linija; susidariusių ryšių skaičius padidėja brūkšnių skaičiumi. Tokiu būdu atsiranda ir viengubi, ir dvigubi, ir trigubi.

Be Lewis piešinių, naudojamos ir kitos reprezentacijos: struktūrinės formulės (linijos tarp atomų), 3D-modeliai (ball-and-stick, space-filling), ir kvantinės cheminės molekulinių orbitų (MO) analizės, kurios aiškina orbitalių persidengimą ir energijų paskirstymą.

Ryšio ilgis, stiprumas ir poliarumas

• Ryšio ilgis: atstumas tarp atomų branduolių esant stabiliai jungčiai — priklauso nuo atomų spindulio ir ryšio eiliškumo (daugiau elektronų porų → trumpesnis ryšys).
• Ryšio energija (disociacijos energija): energija, reikalinga ryšiui nutraukti; ji atspindi ryšio stiprumą — trigubas ryšys paprastai turi didesnę energiją negu viengubas.
• Poliarumas: priklauso nuo skirtumo elektroneigiamybių tarp jungiančių atomų — didelis skirtumas → joninė arba polinė kovalentinė prigimtis; mažas skirtumas → nepolinė kovalentinė.

Praktinės savybės ir pasekmės

Cheminiai ryšiai lemia medžiagų fizines ir chemines savybes:

• Joninės medžiagos dažnai kietos, trapios, gerai tirpsta poliniuose tirpikliuose ir tirpimo metu virsta laidininkais elektros srove.
• Metalai yra laidūs elektros srove ir šilumai dėl laisvų elektronų; jie yra kalūs ir dažnai blizgantys.
• Kovalentinės molekulės gali būti dujos, skysčiai ar kietosios medžiagos, priklausomai nuo molekulių dydžio ir tarp-molekulinių jėgų; molekulių formos ir poliarumo įtakoja tirpumą, virimo tašką ir sąveikas su kitomis molekulėmis.
• Vandeniliniai ryšiai (pvz., vandenyje) smarkiai keičia medžiagų savybes — didesnis virimo taškas, paviršiaus įtampa, specifinis šilumos kiekis.

Specialios temos ir išimtys

Ne visi atomai paiso oketės taisyklės: vandenilis seka duetą (2 elektronai), daug metalų ir kai kurie pagrindiniai elementai formuoja išplėstą oktetą (pvz., P, S, Cl kai kuriuose junginiuose). Taip pat egzistuoja rezonansinės struktūros, kur elektronų poros delokalizuojasi per kelis ryšius (pavyzdžiui, benzolas ar karboksilatų jonai), todėl realūs ryšiai gali būti vidutinio eiliškumo.

Santrauka

Cheminiai ryšiai yra įvairūs — nuo stiprių kovalentinių ir joninių jungčių iki silpnų Van der Waals sąveikų — ir visi kyla iš elektrostatinių sąveikų tarp elektronų ir branduolių. Jie nusako medžiagų struktūrą ir savybes: stabilumą, laidumą, tirpumą, lydymosi ir virimo taškus. Norint suprasti chemines reakcijas ir medžiagų elgseną, būtina mokėti atpažinti ryšio tipą, jo poliarumą, ilgį ir energiją bei suprasti, kaip molekulės trimačiame erdvėje formuoja savo formas ir sąveikas.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra cheminis ryšys?

K: Kas atsitinka su susijungusiais atomais?

K: Kas būna stipriai susijungus cheminiais ryšiais?

K: Kokios yra cheminių ryšių rūšys?

K: Kaip susidaro kovalentiniai ryšiai?

K: Kas yra joninis ryšys?

K: Kaip chemikai paprastai apibūdina cheminius ryšius?

Paieška pagal raidę