Większość pierwiastków chemicznych, z wyłączeniem gazów szlachetnych, występuje praktycznie tylko w postaci związków chemicznych. Ich wytworzenie następuje w wyniku reakcji chemicznych, gdy atomy zbliżają się do siebie. Zastanówmy się zatem co je łączy i jaki to ma na nie wpływ.
Reakcje łączenia
Reakcje, w wyniku których powstają związki chemiczne, mogą zachodzić w dwojaki sposób, w zależności od rozważanych atomów:
- Poprzez oddziaływania odpychające, które są następstwem nakładania się powłok elektronowych oraz oddziaływania elektrostatycznego jednoimiennych ładunków.
- Poprzez działania sił przyciągających, wywołanych oddziaływaniem elektrostatycznym różnoimiennych ładunków, takich jak oddziaływania między elektronami a jądrami atomowymi lub takie, wynikające ze zmian rozkładu gęstości ładunków.
Okazuje się jednak, że w przyrodzie panuje tendencja dążenia do osiągnięcia minimalnej energii. Dotyczy to również atomów, co bezpośrednio przekłada się właśnie na wytwarzanie przez nie wiązań chemicznych – atomy łączą się, jeżeli jest to dla nich korzystne pod względem energetycznym. Większość pierwiastków naturalnie wiąże swoje atomy z innymi lub ze sobą.
Wiązanie chemiczne
Jak już wspomniano wcześniej, atomy mogą łączyć się z atomami tego samego lub innego pierwiastka chemicznego. Wiązaniem chemicznym nazywa się takie oddziaływanie pomiędzy atomami, które sprawia, że są one ze sobą połączone w sposób trwały. W tworzeniu wiązań chemicznych biorą udział elektrony walencyjne, obecne na najbardziej zewnętrznej powłoce atomów.
Wiązanie chemiczne w dwuatomowym wodorze H2
Wodór jest pierwiastkiem chemicznym, należącym do tego typu substancji, których atomy nigdy nie występują w stanie wolnym. Jego atomy zawsze są połączone w pary za pomocą specyficznego wiązania chemicznego. Polega ono na tym, że każdy z obecnych atomów wodoru oddaje do wspólnego użytku po jednym elektronie walencyjnym. Dzięki temu każdy z nich osiąga najkorzystniejszy dla siebie stan energetyczny i uzyskuje konfigurację elektronową najbliższego dla siebie w układzie okresowym gazu szlachetnego, czyli helu. Takie uwspólnione elektrony występują pod nazwą wspólnej pary elektronowej lub wiążącej pary elektronowej. Tego typu wiązanie występujące pomiędzy atomami wodoru symbolicznie można przedstawić jako H:H.
Wiązanie kowalencyjne
Doskonałym przykładem występowania wiązania kowalencyjnego jest wcześniej opisany dwuatomowy wodór. Posiada on wspólną parę elektronową, co jest specyficzne właśnie dla tego rodzaju wiązań. Polega ono na uwspólnianiu elektronów i tworzeniu wiążących par elektronowych, które należą w jednakowym lub różnym stopniu do obu atomów.
Wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane
Takie wiązania kowalencyjne, w których wiążąca para elektronowa należy w jednakowym stopniu do obu atomów, nazywane są również atomowymi lub kowalencyjnymi niespolaryzowanymi i tworzą się głównie pomiędzy atomami tego samego niemetalu. Takie struktury, które powstają w wyniku wytwarzania się wiązań kowalencyjnych niespolaryzowanych nazywa się cząsteczkami homoatomowymi.
Elektrony cząsteczek dwuatomowych chloru Cl2
Wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane jest charakterystyczne również dla cząsteczki chloru, w której dwa atomy chloru uwspólniają po jednym elektronie walencyjnym, uzyskując oktet elektronowy oraz konfigurację elektronową argonu. Rozważając elektrony obecne przy obu atomach chloru w cząsteczce, można zauważyć, że oprócz wiążącej pary elektronowej występują jeszcze elektrony, które nie biorą bezpośredniego udziału w tworzeniu wiązania chemicznego. Takie elektrony lub ich pary nazywa się niewiążącymi.
Jak zbudowana jest cząsteczka azotu?
Okazuje się, że niemetale mogą uwspólniać więcej niż jedną parę elektronową. Przykładowo, cząsteczka azotu jest zbudowana z dwóch atomów azotu. Każdy z nich posiada pięć elektronów walencyjnych na ostatniej powłoce, przez co do uzyskania oktetu potrzebuje aż trzech dodatkowych elektronów. Aby osiągnąć pożądaną konfigurację elektronową, każdy atom azotu oddaje do wspólnego użytku trzy elektrony. Dzięki temu pomiędzy atomami występują trzy wiążące pary elektronowe. Takie specyficzne wiązanie posiada swoją nazwę – wiązanie potrójne. Oprócz uwspólnionych par elektronowych każdy atom azotu posiada po jednej niewiążącej parze elektronowej. Wiązanie potrójne stanowi maksimum możliwe dla wytworzenia przez atomy. W przyrodzie nie wykryto żadnych związków chemicznych, które charakteryzowałyby się występowaniem więcej niż trzykrotnego wiązania w cząsteczce.
Co w przypadku cząsteczek heteroatomowych?
Podobnie jak atomy należące do tego samego pierwiastka chemicznego, atomy różnych niemetali są w stanie łączyć się ze sobą, wykorzystując wytwarzanie wspólnych, wiążących par elektronowych. Najpowszechniej znanym przykładem takiej struktury jest chlorowodór, czyli związek chemiczny powstały w wyniku połączenia się atomów wodoru i chloru. Każdy z atomów wchodzących w skład cząsteczki potrzebuje jednego elektronu do uzyskania najkorzystniejszej dla siebie konfiguracji elektronowej.
Wiązanie kowalencyjne w cząsteczce chlorowodoru
Aby uzyskać konfigurację elektronową najbliższych gazów szlachetnych, zarówno wodór jak i chlor oddają po jednym elektronie walencyjnym w celu wytworzenia wiążącej pary elektronowej. Taki zabieg powoduje powstanie dwóch trwałych konfiguracji elektronowych – wodór przyjmuje konfigurację helu, a atom chloru – konfigurację argonu. Na ich powłokach walencyjnych występują więc kolejno dublet i oktet elektronowy.
Możemy zaobserwować tu jednak nieco inne oddziaływanie niż w przypadku cząsteczki wodoru – okazuje się, że wytworzona para elektronowa pomiędzy atomem wodoru i chloru nie należy do nich w jednakowym stopniu. Jest ona przesunięta w kierunku tego, który posiada większą zdolność do przyciągania elektronów, w tym wypadku jest to atom chloru i to w jego kierunku jest przesunięta wiążąca para elektronowa. Taki typ wiązania jest również wiązaniem kowalencyjnym, ale dodatkowo określanym mianem „spolaryzowanego”.
Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
Takie wiązanie jest tworzone pomiędzy atomami należącymi do różnych niemetali. Wykonują one charakterystyczny dla wiązania kowalencyjnego ruch – uwspólniają jakąś część swoich elektronów, jednak w porównaniu do wiązania kowalencyjnego niespolaryzowanego, wytworzone w tym przypadku pary elektronowe są przesunięte w kierunku jednego z atomów. Tego, który charakteryzuje się silniejszym przyciąganiem elektronów. Zazwyczaj jest to ten atom, który na swojej powłoce walencyjnej posiada większą liczbę elektronów. Zawsze jest to atom, który posiada większą elektroujemność.
Budowa elektronowa cząsteczki amoniaku
Amoniak to cząsteczka zbudowana z jednego atomu azotu oraz trzech atomów wodoru. Występuje w niej wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Wiedząc, że azot należy do grupy 15. układu okresowego pierwiastków, wiemy że posiada on pięć elektronów walencyjnych. Każdy z atomów wodoru posiada natomiast tylko jeden elektron. Do uzyskania trwałej konfiguracji elektronowej, azot potrzebuje trzech elektronów, które mogą być dostarczone dzięki obecności atomów wodoru. Każdy z nich wytwarza jedną wiążącą parę elektronową z atomem azotu. Dzięki temu każdy z występujących atomów posiada najkorzystniejszą dla siebie konfigurację elektronową. Ze względu na to, że atom azotu charakteryzuje się większą zdolnością do przyciągania elektronów niż atom wodoru, wszystkie trzy wiążące pary elektronowe są przesunięte właśnie w jego kierunku.
Budowa elektronowa cząsteczki dwutlenku węgla
Atom węgla znajduje się w 14. grupie układu okresowego, a więc na powłoce walencyjnej posiada cztery elektrony walencyjne. Każdy z dwóch atomów tlenu posiada natomiast sześć elektronów walencyjnych. Ponieważ obecne atomy dążą wyłącznie do oktetów, atomy tlenu oddają do wspólnego użytku po dwa elektrony, a atom węgla uwspólniając z każdym z nich po dwa elektrony, łącznie oddaje do uwspólnienia wszystkie cztery elektrony walencyjne. Powoduje to powstanie aż czterech wiążących par elektronowych – dwie pomiędzy atomem węgla a każdym atomem tlenu. Porównując wartości elektroujemności atomu węgla oraz tlenu wiemy, że to tlen wykazuje większe predyspozycje do przyciągania elektronów. Z tego względu wszystkie cztery wiążące pary elektronowe są przesunięte w kierunku atomów tlenu.
Jak sprawdzić typ wiązania występujący w cząsteczce?
Kluczowym czynnikiem decydującym o typie wiązania występującego w cząsteczce jest elektroujemność jej składników atomowych. Jest to zdolność atomów do przyciągania elektronów, a więc również w przypadku wiązania kowalencyjnego – zdolność do przyciągania wiążących par elektronowych do siebie. Im większa jest wartość elektroujemności, tym silniej atom przyciąga elektrony. Ponadto różnica pomiędzy elektroujemnością atomów występujących w cząsteczce mówi o tym, z jakim typem wiązania chemicznego mamy do czynienia. Jeżeli w cząsteczce różnica elektroujemności budujących ją atomów, oznaczana jako ΔE jest równa 0,0 lub nie jest większa niż 0,4, to wiązanie jest kowalencyjne niespolaryzowane. Jeżeli ΔE mieści się w przedziale od 0,4 do 1,6, to w cząsteczce występuje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Jeżeli natomiast różnica elektroujemności atomów przekracza 1,6, świadczy to o występowaniu wiązania jonowego.