Kimyasal bağ kavramı, bir bilim olarak kimyanın çeşitli alanlarında küçük bir öneme sahip değildir. Bunun nedeni, tek tek atomların moleküller halinde birleşerek, sırayla kimyasal araştırmaların konusu olan her türlü maddeyi oluşturabilmelerinin yardımı olmasıdır.
Atomların ve moleküllerin çeşitliliği, aralarında çeşitli bağ türlerinin ortaya çıkmasıyla ilişkilidir. Farklı molekül sınıfları, elektron dağılımının kendi özellikleri ve dolayısıyla kendi bağ türleri ile karakterize edilir.
Temel kavramlar
Kimyasal bağ, atomların daha karmaşık bir yapıya sahip kararlı parçacıklar (moleküller, iyonlar, radikaller) ve ayrıca agregalar (kristaller, camlar vb.) oluşturmak üzere bağlanmasına yol açan bir dizi etkileşimdir. Bu etkileşimlerin doğası elektrikseldir ve yaklaşan atomlardaki değerlik elektronlarının dağılımı sırasında ortaya çıkarlar.
Değerlilik genellikle bir atomun diğer atomlarla belirli sayıda bağ oluşturma yeteneği olarak adlandırılır. İyonik bileşiklerde, verilen veya bağlanan elektronların sayısı değerlik değeri olarak alınır. ATkovalent bileşiklerde, ortak elektron çiftlerinin sayısına eşittir.
Oksidasyon durumu, tüm polar kovalent bağlar iyonik olsaydı bir atom üzerinde olabilecek koşullu yük olarak anlaşılır.
Bağ çokluğu, dikkate alınan atomlar arasında paylaşılan elektron çiftlerinin sayısıdır.
Kimyanın çeşitli dallarında ele alınan bağlar, iki tür kimyasal bağa ayrılabilir: yeni maddelerin oluşumuna yol açanlar (moleküller arası) ve moleküller arasında oluşanlar (moleküller arası).
Temel iletişim özellikleri
Bağlanma enerjisi, bir moleküldeki tüm mevcut bağları kırmak için gereken enerjidir. Aynı zamanda bağ oluşumu sırasında açığa çıkan enerjidir.
Bağ uzunluğu, bir moleküldeki çekim ve itme kuvvetlerinin dengelendiği bitişik atom çekirdekleri arasındaki mesafedir.
Atomların kimyasal bağının bu iki özelliği, gücünün bir ölçüsüdür: uzunluk ne kadar kısaysa ve enerji ne kadar büyükse, bağ o kadar güçlüdür.
Bağ açısına genellikle atomların çekirdeklerinden bağlanma yönünde geçen temsil edilen çizgiler arasındaki açı denir.
Bağlantıları tanımlama yöntemleri
Kimyasal bağı açıklamak için kuantum mekaniğinden ödünç alınan en yaygın iki yaklaşım:
Moleküler orbitallerin yöntemi. Bir molekülü, her bir elektronun diğer tüm elektronların ve çekirdeklerin etki alanında hareket ettiği bir dizi elektron ve atom çekirdeği olarak görür. Molekül bir yörünge yapısına sahiptir ve tüm elektronları bu yörüngeler boyunca dağılmıştır. Ayrıca bu yöntem, "moleküler orbital - atomik orbitallerin doğrusal bir kombinasyonu" anlamına gelen MO LCAO olarak adlandırılır.
Değer bağları yöntemi. Bir molekülü iki merkezi moleküler orbitalden oluşan bir sistem olarak temsil eder. Ayrıca, her biri moleküldeki iki bitişik atom arasındaki bir bağa karşılık gelir. Yöntem aşağıdaki hükümlere dayanmaktadır:
- Kimyasal bir bağın oluşumu, söz konusu iki atom arasında yer alan zıt spinli bir çift elektron tarafından gerçekleştirilir. Oluşan elektron çifti eşit olarak iki atoma aittir.
- Bir veya diğer atom tarafından oluşturulan bağların sayısı, temel ve uyarılmış durumdaki eşleşmemiş elektronların sayısına eşittir.
- Elektron çiftleri bağ oluşumunda yer almıyorsa, bunlara yalnız çiftler denir.
Elektronegatiflik
Oluşturduğu atomların elektronegatiflik değerlerindeki farka göre maddelerdeki kimyasal bağın türünü belirlemek mümkündür. Elektronegatiflik, atomların bağ polarizasyonuna yol açan ortak elektron çiftlerini (elektron bulutu) çekme yeteneği olarak anlaşılır.
Kimyasal elementlerin elektronegatiflik değerlerini belirlemenin çeşitli yolları vardır. Bununla birlikte, en yaygın olarak kullanılanı, 1932'de L. Pauling tarafından önerilen termodinamik verilere dayanan ölçektir.
Atomların elektronegatifliği arasındaki fark ne kadar büyükse, iyonikliği o kadar belirgindir. Aksine, eşit veya yakın elektronegatiflik değerleri bağın kovalent yapısını gösterir. Başka bir deyişle, belirli bir molekülde hangi kimyasal bağın gözlemlendiğini matematiksel olarak belirlemek mümkündür. Bunu yapmak için, ΔX - atomların elektronegatifliklerindeki farkı aşağıdaki formüle göre hesaplamanız gerekir: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Eğer ΔХ>1, 7 ise, bağ iyoniktir.
- 0.5≦ΔХ≦1.7 ise, kovalent bağ polardır.
- Eğer ΔХ=0 veya buna yakınsa, bağ polar olmayan kovalenttir.
İyonik bağ
İyonik, iyonlar arasında veya ortak bir elektron çiftinin atomlardan biri tarafından tamamen geri çekilmesinden dolayı ortaya çıkan böyle bir bağdır. Maddelerde, bu tür kimyasal bağlanma, elektrostatik çekim kuvvetleri tarafından gerçekleştirilir.
İyonlar, elektronların kazanması veya kaybetmesi sonucu atomlardan oluşan yüklü parçacıklardır. Bir atom elektronları kabul ettiğinde, negatif bir yük alır ve bir anyon olur. Bir atom değerlik elektronları bağışlarsa, katyon adı verilen pozitif yüklü bir parçacık haline gelir.
Tipik metallerin atomlarının tipik metal olmayan atomların etkileşimi ile oluşan bileşiklerin özelliğidir. Bu sürecin esası, atomların kararlı elektronik konfigürasyonlar elde etme arzusudur. Ve bunun için tipik metallerin ve metal olmayanların sadece 1-2 elektron vermesi veya alması gerekir,bunu kolaylıkla yaparlar.
Bir molekülde iyonik kimyasal bağ oluşum mekanizması geleneksel olarak sodyum ve klor etkileşimi örneği kullanılarak düşünülür. Alkali metal atomları, bir halojen atomu tarafından çekilen bir elektronu kolayca bağışlar. Sonuç, elektrostatik çekim ile bir arada tutulan Na+ katyonu ve Cl- anyonudur.
İdeal bir iyonik bağ yoktur. Genellikle iyonik olarak adlandırılan bu tür bileşiklerde bile, elektronların atomdan atoma nihai transferi gerçekleşmez. Oluşan elektron çifti hala ortak kullanımda kalır. Bu nedenle, bir kovalent bağın iyoniklik derecesi hakkında konuşurlar.
İyonik bağ birbiriyle ilişkili iki ana özellik ile karakterize edilir:
- yönsüz, yani iyonun etrafındaki elektrik alanı bir küre şeklindedir;
- Doymamışlık, yani herhangi bir iyonun etrafına yerleştirilebilecek zıt yüklü iyonların sayısı, boyutlarına göre belirlenir.
Kovalent kimyasal bağ
Metal olmayan atomların elektron bulutlarının üst üste gelmesiyle oluşan, yani ortak bir elektron çifti tarafından gerçekleştirilen bağa kovalent bağ denir. Ortak elektron çiftlerinin sayısı bağın çokluğunu belirler. Böylece, hidrojen atomları tek bir H··H bağı ile bağlanır ve oksijen atomları bir çift bağ O::O oluşturur.
Oluşu için iki mekanizma vardır:
- Değişim - her atom ortak bir çiftin oluşumu için bir elektronu temsil eder: A +B=A: B, bağlantı, üzerinde bir elektronun bulunduğu harici atomik orbitalleri içerir.
- Verici-alıcı - bir bağ oluşturmak için, atomlardan biri (verici) bir çift elektron sağlar ve ikincisi (alıcı) - yerleştirilmesi için serbest bir yörünge: A +:B=A:B.
Kovalent bir kimyasal bağ oluştuğunda elektron bulutlarının üst üste gelme yolları da farklıdır.
- Doğrudan. Bulut örtüşme bölgesi, dikkate alınan atomların çekirdeklerini birbirine bağlayan düz bir hayali çizgi üzerinde yer alır. Bu durumda, σ-bağları oluşur. Bu durumda meydana gelen kimyasal bağın tipi, örtüşen elektron bulutlarının tipine bağlıdır: s-s, s-p, p-p, s-d veya p-d σ-bağları. Bir parçacıkta (molekül veya iyon), iki komşu atom arasında yalnızca bir σ-bağ oluşabilir.
- Yan. Atom çekirdeklerini birbirine bağlayan çizginin her iki tarafında gerçekleştirilir. Bir π bağı bu şekilde oluşur ve çeşitleri de mümkündür: p-p, p-d, d-d. σ-bağından ayrı olarak, π-bağı asla oluşmaz; çoklu (çift ve üçlü) bağ içeren moleküllerde olabilir.
Kovalent bağ özellikleri
Bileşiklerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini belirlerler. Maddelerdeki herhangi bir kimyasal bağın temel özellikleri yönlülüğü, polaritesi ve polarize edilebilirliği ile doygunluğudur.
Bağın yönlülüğü, moleküler bağın özelliklerini belirler.maddelerin yapısı ve moleküllerinin geometrik şekli. Özü, elektron bulutlarının en iyi örtüşmesinin uzayda belirli bir yönelimle mümkün olduğu gerçeğinde yatmaktadır. σ- ve π-bağlarının oluşumu için seçenekler yukarıda zaten ele alındı.
Doygunluk, atomların bir molekülde belirli sayıda kimyasal bağ oluşturma yeteneği olarak anlaşılır. Her atom için kovalent bağların sayısı, dış orbitallerin sayısı ile sınırlıdır.
Bağın polaritesi, atomların elektronegatiflik değerlerindeki farka bağlıdır. Atom çekirdekleri arasındaki elektron dağılımının tekdüzeliğini belirler. Bu temelde bir kovalent bağ, polar veya polar olmayan olabilir.
- Ortak elektron çifti atomların her birine eşit olarak aitse ve çekirdeklerinden aynı uzaklıktaysa, bu durumda kovalent bağ polar değildir.
- Ortak elektron çifti, atomlardan birinin çekirdeğine kaydırılırsa, kovalent bir polar kimyasal bağ oluşur.
Polarize edilebilirlik, başka bir partiküle, aynı moleküldeki komşu bağlara ait olabilen veya harici elektromanyetik alan kaynaklarından gelen harici bir elektrik alanının etkisi altında bağ elektronlarının yer değiştirmesi ile ifade edilir. Dolayısıyla, onların etkisi altındaki bir kovalent bağ, polaritesini değiştirebilir.
Yörüngelerin hibridizasyonu altında, kimyasal bir bağın uygulanmasında formlarındaki değişikliği anlayın. En etkili örtüşmeyi elde etmek için bu gereklidir. Aşağıdaki hibridizasyon türleri vardır:
- sp3. Bir s- ve üç p-orbitali dört tane oluştururaynı şekle sahip "melez" yörüngeler. Dışa doğru, eksenleri 109 ° 'lik bir açıya sahip bir tetrahedron'u andırıyor.
- sp2. Bir s- ve iki p-orbital, eksenler arasında 120°'lik bir açıyla düz bir üçgen oluşturur.
- sp. Bir s- ve bir p-orbital, eksenleri arasındaki açı 180° olan iki "hibrit" yörünge oluşturur.
Metal bağ
Metal atomlarının yapısının bir özelliği, oldukça büyük bir yarıçap ve dış yörüngelerde az sayıda elektron bulunmasıdır. Sonuç olarak, bu tür kimyasal elementlerde çekirdek ile değerlik elektronları arasındaki bağ nispeten zayıftır ve kolayca kırılır.
Metal bağı, delokalize elektronların yardımıyla gerçekleştirilen metal atomları-iyonları arasındaki böyle bir etkileşimdir.
Metal parçacıklarında, değerlik elektronları dış yörüngelerden kolayca ayrılabileceği gibi, üzerlerinde boş yer kaplayabilir. Böylece farklı zamanlarda aynı parçacık hem atom hem de iyon olabilir. Onlardan kopan elektronlar kristal kafesin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket eder ve kimyasal bir bağ kurar.
Bu tür bağların iyonik ve kovalent ile benzerlikleri vardır. İyonik bağların yanı sıra, metalik bir bağın varlığı için iyonlar gereklidir. Ancak ilk durumda elektrostatik etkileşimin uygulanması için katyonlara ve anyonlara ihtiyaç duyulursa, ikincisinde negatif yüklü parçacıkların rolü elektronlar tarafından oynanır. Metalik bir bağı kovalent bir bağla karşılaştırırsak, her ikisinin de oluşumu için ortak elektronlar gerekir. Ancak, içindepolar bir kimyasal bağdan farklı olarak, iki atom arasında yer almazlar, kristal kafesteki tüm metal parçacıklara aittirler.
Metalik bağlar hemen hemen tüm metallerin özel özelliklerinden sorumludur:
- plastisite, elektron gazı tarafından tutulan kristal kafesteki atom katmanlarının yer değiştirme olasılığı nedeniyle mevcut;
- Elektronlardan gelen ışık ışınlarının yansıması nedeniyle gözlenen metalik parlaklık (toz halinde kristal kafes yoktur ve bu nedenle elektronlar onun üzerinde hareket eder);
- Yüklü parçacıkların akışı tarafından gerçekleştirilen elektriksel iletkenlik ve bu durumda küçük elektronlar büyük metal iyonları arasında serbestçe hareket eder;
- Isı iletkenlik, elektronların ısı transfer etme yeteneği nedeniyle gözlemlenir.
Hidrojen bağı
Bu tür kimyasal bağa bazen kovalent ve moleküller arası etkileşim arasında bir ara madde denir. Bir hidrojen atomunun güçlü elektronegatif elementlerden (fosfor, oksijen, klor, azot gibi) biriyle bağı varsa, hidrojen adı verilen ek bir bağ oluşturabilir.
Yukarıda sayılan tüm bağ türlerinden çok daha zayıftır (enerji 40 kJ/mol'den fazla değildir), ancak ihmal edilemez. Bu nedenle diyagramdaki hidrojen kimyasal bağı noktalı bir çizgi gibi görünüyor.
Aynı anda verici-alıcı elektrostatik etkileşimi nedeniyle bir hidrojen bağının oluşması mümkündür. Değerlerde büyük farkelektronegatiflik, O, N, F ve diğerleri atomlarında aşırı elektron yoğunluğunun ortaya çıkmasına ve ayrıca hidrojen atomunda eksikliğine yol açar. Bu tür atomlar arasında herhangi bir kimyasal bağ olmaması durumunda, yeterince yakın olmaları durumunda çekici kuvvetler harekete geçer. Bu durumda proton bir elektron çifti alıcısıdır ve ikinci atom bir vericidir.
Hidrojen bağı hem su, karboksilik asitler, alkoller, amonyak gibi komşu moleküller arasında hem de bir molekül içinde, örneğin salisilik asit arasında meydana gelebilir.
Su molekülleri arasında bir hidrojen bağının varlığı, suyun benzersiz fiziksel özelliklerini açıklar:
- Hesaplamalara göre ısı kapasitesi, dielektrik sabiti, kaynama ve erime noktalarının değerleri, moleküllerin bağlanması ve harcanması gerekliliği ile açıklanan gerçek değerlerden çok daha az olmalıdır. moleküller arası hidrojen bağlarını kırmak için enerji.
- Diğer maddelerin aksine, sıcaklık düştüğünde suyun hacmi artar. Bunun nedeni, moleküllerin buzun kristal yapısında belirli bir pozisyonda yer almaları ve birbirlerinden hidrojen bağı uzunluğu kadar uzaklaşmalarıdır.
Bu bağlantı canlı organizmalar için özel bir rol oynar, çünkü protein moleküllerindeki varlığı onların özel yapılarını ve dolayısıyla özelliklerini belirler. Ek olarak, DNA çift sarmalını oluşturan nükleik asitler de hidrojen bağlarıyla tam olarak bağlanır.
Kristallerdeki iletişim
Katıların büyük çoğunluğunun kristal bir kafesi vardır - özel bironları oluşturan parçacıkların karşılıklı düzeni. Bu durumda, üç boyutlu periyodiklik gözlenir ve hayali çizgilerle birbirine bağlanan düğümlerde atomlar, moleküller veya iyonlar bulunur. Bu parçacıkların doğasına ve aralarındaki bağlara bağlı olarak tüm kristal yapılar atomik, moleküler, iyonik ve metalik olarak ayrılır.
İyonik kristal kafesin düğümlerinde katyonlar ve anyonlar vardır. Ayrıca, her biri, yalnızca zıt yüke sahip, kesin olarak tanımlanmış sayıda iyonla çevrilidir. Tipik bir örnek, sodyum klorürdür (NaCl). Kırılmaları için çok fazla enerji gerektirdiklerinden yüksek erime noktalarına ve sertliğe sahip olma eğilimindedirler.
Bir kovalent bağ tarafından oluşturulan maddelerin molekülleri, moleküler kristal kafesin düğümlerinde bulunur (örneğin, I2). Zayıf bir van der Waals etkileşimi ile birbirlerine bağlanırlar ve bu nedenle böyle bir yapının yok edilmesi kolaydır. Bu tür bileşikler düşük kaynama ve erime noktalarına sahiptir.
Atomik kristal kafes, yüksek değerlik değerlerine sahip kimyasal elementlerin atomlarından oluşur. Güçlü kovalent bağlarla bağlanırlar, bu da maddelerin yüksek kaynama noktalarına, erime noktalarına ve yüksek sertliğe sahip olduğu anlamına gelir. Bir örnek bir elmastır.
Böylece, kimyasallarda bulunan her tür bağın, moleküller ve maddelerdeki parçacıkların etkileşiminin inceliklerini açıklayan kendi özellikleri vardır. Bileşiklerin özellikleri onlara bağlıdır. Ortamda meydana gelen tüm süreçleri belirlerler.
