Материята е съставена от малки частици, невидими за човешкото око, които се наричат атоми y молекуликоито са основните компоненти на това, което днес познаваме като материя.
Гореспоменатите частици обикновено са влизане в процес на синдикатиране което е известно като химични връзкиТези процеси се изучават от химията, за да се разберат хилядите биологични и физични процеси, които протичат ежедневно пред очите ни, но не могат да бъдат лесно възприети. Чрез тях ние сме стигнали до разбирането на повечето събития, които правят света такъв, какъвто е: от това защо водата кипи при определена температура до това как металите са организирани в устойчиви структури или как молекулите на живота се държат заедно.
Какво представляват химическите връзки?
Всички неща в света, включително живите същества като хората, са съставени от атоми и молекули, които се свързват чрез процес, известен като химическа връзкаДобре известно е, че всички живи организми и дори инертните (неодушевени обекти) са изградени от материя и това зависи от химичните връзки, за да бъдат създадени и да останат стабилни.
Казано по-просто, химическата връзка е сила, която ги държи заедно между два или повече атома в молекула или в твърда структура. Тази сила може да произлиза от трансфер на електрони, за споделяне на електрони или чрез съществуването на децентрализирани електронни облаци които се движат свободно между много атоми, както се случва в металите.
В зависимост от това как атомите и молекулите са свързани, може да се определи какъв тип химическа връзка се използва, като сред най-често срещаните са следните: йонни връзки, The ковалентен и металниСъществуват обаче и други видове взаимодействия, като например водородни връзки и Сили на Ван дер Ваалскоито са фундаментални за разбирането на структурата на вещества, толкова важни като водата или протеините.
Химичните връзки се наричат сили на привличане които карат два или повече атома да останат свързани за определено време и които позволяват предаването, обмена или споделянето на електрони между тях. Без тези връзки атомите биха останали изолирани и молекулите и материалите, каквито ги познаваме, не биха съществували.
Процесът на привличане, който протича между два атома, е донякъде сложен, но с внимателен анализ може лесно да се разбере. Основното нещо, което трябва да се знае, е, че ядра Атомните ядра притежават положителни заряди (протони) и следователно се отблъскват взаимно. Въпреки това, около тези ядра се намират отрицателно заредени електроникоето може да бъде привлечено от повече от едно ядро едновременно. Когато привличането между ядрото и електроните на друг атом компенсира отблъскването между ядрата, се образува стабилна химическа връзка.
Когато протича процесът на химическо свързване, обикновено, ако не и почти през цялото време, някои атоми губят електрони Докато други ги печелят или ги споделят горе-долу справедливо. В края на процеса може да се наблюдава електрическа стабилност и енергия, която прави това съединение благоприятно и че полученото вещество има определени свойства, като твърдост, точка на топене, проводимост или разтворимост.
Обща класификация и интуитивен поглед върху химичните връзки
Въпреки че много категории и подтипове могат да бъдат установени на напреднало ниво, в основното образование обикновено говорим за три основни вида химични връзки Основните видове връзки са: йонни, ковалентни и метални. Освен това се разглеждат и други междумолекулни взаимодействия, като например... водородни връзки и Сили на Ван дер Ваалскоито, макар и по-слаби, са от съществено значение за структурата на течности, молекулярни твърди вещества и биологични системи.
Може да ви е полезно да имате един вид „мнемонична техника“, за да разграничите тези видове връзки въз основа на това, което се случва с електроните:
- Ковалентна връзкаатомите споделят електрони помежду си. Нито един от тях не се отказва напълно, а по-скоро се образува споделена електронна двойка.
- Йонна връзкаатом пренася електрони един към друг. Единият ги губи (става положителен), а другият ги получава (става отрицателен); привличането между противоположни заряди поражда връзката.
- Метална връзка: електроните се движат свободно между много метални атоми, образувайки делокализиран вид „електронен облак“ или „море от електрони“.
От тази обща идея могат да се усъвършенстват много детайли и свойства, които ще видите във всеки тип връзка.
5-те вида химически връзки
Ще се покаже следното химични връзки най-важните и някои от техните характеристики, за да разберем как работят и каква роля играят в материята, която ни заобикаля.
Метални връзки
При този тип връзка можете да наблюдавате как се създава връзка. електронен облак Тази структура държи цялата група атоми заедно и се образува от свободните валентни електрони. Накратко, металните атоми частично губят най-външните си електрони, които престават да принадлежат на специфичен атом и стават споделени в цялата метална структура.
В този процес може да се наблюдава как атомите се трансформират в положителни йони потопени в облак от мобилни електрони, вместо нормалния процес на съседен атом, споделящ двойка електрони, тази делокализация на електрони обяснява много от характерни свойства на металите, като например високата му електрическа и топлопроводимост.
Металните връзки често образуват мрежи, считани кристаленТези метални йони имат високо координационно число. Това означава, че всеки метален йон е заобиколен от много други йони в решетката, в силно подредени и повтарящи се позиции, което води до много компактни структури.
Върху повърхностите на тези мрежи могат да се наблюдават три различни вида метални кристални решетки, които имат различни координационни точки, променящи се в зависимост от местоположението им, като в крайна сметка имат 12 точки, 8 точки и в други случаи, 6 точкиТвърди се обаче, че нивото на валентност на металните атоми Той винаги е относително малък, което улеснява делокализацията на тези валентни електрони.
Благодарение на тази уникална структура, металните връзки обясняват защо металите:
- Шон добри шофьори на електричество, тъй като електронният облак се движи лесно, когато се приложи потенциална разлика.
- Имам високо Топлопроводимостпозволявайки на топлината да се разпредели бързо.
- Шон ковък и пластичен (може да се ламинира или изтегли в жици), защото металните йони могат да се плъзгат един върху друг, без кристалът да се счупи, благодарение на факта, че електронният облак продължава да поддържа кохезия.
- Настояще метален блясъкзащото делокализираните електрони взаимодействат със светлината по характерен начин.
Поради тези причини металните връзки са в основата на много технологични приложения, от проводящи кабели до строителни конструкции и електронни компоненти.
Йонни връзки
Когато говорим за йонни връзки Това се отнася до връзката между атоми с ниска йонизационна енергия или ниска електроотрицателност (като метали) и други, които имат много по-висока електроотрицателност (като неметали). Обикновено това се случва между... метал и неметал.
За да се случи това, един от атомите трябва да може губят електронии че другият може спечелете ги последователно. Металът отдава един или повече електрони и се превръща в положителен йон (катион), докато неметалът ги приема и се превръща в отрицателен йон (анионСледователно, тази връзка може да се опише като процес, при който два атома притежават електростатично привличане много интензивен, в който единият участва с по-голяма склонност да привлича електрони, а другият с по-малка склонност.
Беше показано, че много неметални елементи нямат един или повече електрони във валентната си обвивка, за да могат да имат своите пълна външна орбитаИ именно поради тази причина те се превръщат в рецептори в процеса и се наричат аниони. Например, хлорът се нуждае от един електрон, за да завърши своя октет и да образува йона Cl⁻.
Металните елементи са известни като катиони защото притежават положителен заряд, което е противоположно на анионите. Тъй като обикновено имат малко електрони в най-външната си обвивка, е „лесно“ за тях да ги загубят и да постигнат по-стабилна конфигурация. Типичен пример е натрият, който губи електрон и образува йона На⁺който може да се свърже с Cl⁻, за да образува натриев хлорид (обикновена сол).
Въз основа на описаното може да се заключи, че при този тип химическа връзка атомите се привличат от интензивна електростатична силаИ следователно анионът привлича катиона. В този момент може да се наблюдава как единият от атомите губи електрони, докато другият ги получава. Този пълен трансфер на електрони прави йонната връзка много силна и кара йоните да се организират в големи клъстери. кристални решетки триизмерен.
Когато това съединение се съхранява в твърдТой остава организиран в силно подредена и стабилна структура. Въпреки това, когато е изложен на влажна среда или разтворен в полярни течности като... водаКристалната решетка се разрушава и йоните се разделят, но запазват електрическите си заряди. Поради тази причина водните разтвори на йонни съединения Те провеждат електричество, докато чистото твърдо вещество обикновено не го прави.
Йонните съединения имат и други общи характеристики:
- Su точка на топене и кипенето обикновено е увеличен, поради силното привличане между противоположно заредени йони.
- Те обикновено са чупливАко се деформират, йонните слоеве се изместват и йони с един и същи заряд могат да влязат в контакт, което води до отблъскване и счупване на кристала.
- Те се разтварят лесно в полярни разтворители като водата, тъй като водните молекули обграждат и стабилизират йоните.
- Те провеждат електрически ток, когато са разтворен или разтопензащото йоните са свободно подвижни.
Всички тези подробности правят йонните връзки фундаментални в много ежедневни процеси, като например състава на минералните соли, електролитите в биологичните разтвори и керамичните материали.
Ковалентни връзки
В ковалентни връзки Атомите имат способността да привличат и споделят електрони помежду си. Вместо един атом напълно да отдаде електроните си на друг, и двата допринасят с един или повече електрони, за да образуват споделени двойки. Доказано е, че когато това се случи, участващите йони или атоми постигат електронни конфигурации много по-стабилен.
Въпреки че може да се каже, че много видове връзки имат способността да бъдат проводници на електричествоВ този случай се оказва, че голяма част от веществата, образувани от ковалентни връзки, не са проводими, особено когато са в твърдо състояние и под формата на неутрални молекули. Има обаче забележителни изключения, като например графита, в който делокализираните електрони позволяват известна проводимост.
Всички органичен материал Състои се главно от ковалентни връзки, тъй като, както бе споменато по-рано, те обикновено придават голяма стабилност и позволяват образуването на много сложни и разнообразни структури: вериги, пръстени, триизмерни мрежи и др. Въглеродът, например, е майстор в образуването на множество ковалентни връзки и разклонени структури.
Тези връзки имат своя собствена класификация, която варира в зависимост от това дали споделянето на електрони е симетрично или не. Най-общо казано, можем да различим полярни ковалентни връзки и неполярен, което ще бъде обяснено накратко по-долу, за да се изясни разликата в разпределението на електронната плътност.
В допълнение към тази класификация, ковалентните връзки могат да бъдат просто (споделена електронна двойка), двойно (две споделени двойки) или троен (три споделени двойки), което влияе върху дължината и силата на връзката: като цяло, множествената ковалентна връзка е по- къс и силен отколкото един обикновен.
Полярна ковалентна връзка
Връзките полярен ковалентен Основната им характеристика е, че са напълно асиметричен в разпределението на електронната плътност. Това означава, че свързаните атоми споделят електрони, но не по равно: атомът с по-голяма електронна плътност електроотрицателен Единият електрон привлича споделените електрони по-силно и остава с лек частичен отрицателен заряд, докато другият остава с лек частичен положителен заряд.
Тази ситуация може да се визуализира така, сякаш по-електроотрицателно заредените атоми биха могли да имат два електрона за споделяне или две пространства за абсорбиране, докато другите имат само едно, като случаите варират. Въпреки че в квантовата реалност това е по-фино, основната идея е, че Споделянето не е честно.
Този тип връзка се среща подобно на йонните връзки, тъй като има и разлики в електроотрицателността, но с ключовата разлика, че за да се свържат атомите, вместо пълен пренос на електрони, се получава частичен пренос на електрони. полярна ковалентна връзка с неравномерно разпределени електрони. За да се случи това, трябва да има два различни неметални елементи с различна електроотрицателност.
Класически пример е молекулата на вода (H₂O)Кислородът е много по-електроотрицателен от водорода, така че силно привлича споделените електрони, генерирайки електрически дипол в молекулата: леко отрицателна зона върху кислорода и две леко положителни зони върху водородите.
Поради тази полярност, полярните ковалентни молекули могат да взаимодействат помежду си чрез дипол-диполни сили и в някои случаи образуват водородни връзки. Тези взаимодействия придават на вещества като водата уникални свойства, като например високата точка на кипене спрямо молекулната ѝ маса, високото повърхностно напрежение и способността ѝ да разтваря много йонни и полярни вещества.
Неполярна ковалентна връзка
За разлика от описания по-горе тип химическа връзка, в този случай трябва да има два или повече атома от едната неметал от същия вид или на елементи с много сходна електроотрицателност. Това е напълно различно от полярното в един ключов аспект: симетрияКогато два атома от един и същи елемент споделят електрони, процесът е напълно симетричен, така че те остават балансирани и едновременно приемат и отдават електрони по равно.
Поради това равномерно разпределение на електронната плътност, не се генерират електрони значителни частични товари в нито един от двата края на връзката; следователно, връзката се нарича неполярна. Типични примери за неполярни ковалентни връзки се намират в молекули като HXNUMX (молекулен водород), O₂ (молекулен кислород), N₂ (молекулен азот) или в дълги въглеводородни вериги, като тези на много масла.
Веществата, образувани главно от неполярни ковалентни връзки, обикновено са слабо разтворим във вода (който е полярен разтворител) и са по-разтворими в неполярни разтворители, като някои масла и органични разтворители. Освен това, при стайна температура те могат да се открият като газове или течности от ниска точка на кипенеименно защото силите на привличане между молекулите му са относително слаби.
В много случаи една молекула може да има области с полярни ковалентни връзки и други с неполярни връзки. Това води до молекули с хидрофилна (привличаща вода) част и хидрофобна (отблъскваща вода) част, както се случва в... липиди на клетъчните мембрани. Тази двойственост е ключова за образуването на биологични структури като липидните бислоеве.
Водородни връзки
El водород Характеризира се с частичен положителен заряд, когато образува част от полярна ковалентна връзка с силно електроотрицателен атом, като кислород, азот или флуор. За да се получи този тип междумолекулна връзка, частично положителният водород трябва да бъде привлечен към... електроотрицателен атом с двойка свободни електрони в друга молекула или в друга част на същата молекула.
Благодарение на този процес се образува съюз между двамата, който се нарича водороден мостОттук и името на връзката. Тя не е толкова силна, колкото ковалентната връзка, но е много по-силна от другите взаимодействия на Ван дер Ваалс и играе решаваща роля в структурата и свойствата на много вещества.
Много представителен пример е водата. Всяка водна молекула може да образува няколко водородни връзки със съседни молекули, създавайки обширна... мрежа от взаимодействия Това обяснява високата му специфична топлина, високите му точки на топене и кипене за молекулната му маса, както и любопитното му поведение на разширяване при замръзване. Всичко това до голяма степен се дължи на наличието на тези връзки.
В биологичните системи, водородни връзки Те са фундаментални за поддържането на триизмерната структура на молекулите, толкова важни, колкото и протеини и нуклеинови киселини (ДНК и РНК). В ДНК, например, комплементарните азотни бази са свързани помежду си чрез водородни връзки, което позволява на двойната спирала да се стабилизира и репликира точно.
Връзки към Ван дер Ваалс
В този тип взаимодействие, групирано под името Сили на Ван дер Ваалс, съюзът между две може да бъде намерен постоянни диполи, както и между две индуцирани диполи или възможността за срещане на връзки между постоянен дипол и индуциран дипол. Единственият начин това да се случи е, ако има молекули с някакво разпределение на заряда, дори и само моментно.
Тези сили започват да действат, когато има привличане или отблъскване между молекули или когато има взаимодействие между йони и неутрални молекули, които могат да бъдат леко поляризирани. Въпреки че всяко от тези взаимодействия е относително слабо, заедно те могат да станат много важни, особено когато се сумират в големи молекули или молекулярни твърди вещества.
Силите на Ван дер Ваалс обясняват например защо благородни газовеМолекулите, които са съставени от изолирани неполярни атоми, могат да се втечняват и втвърдяват при ниски температури: въпреки че не образуват силни химични връзки, има слабо привличане поради временни колебания в разпределението на техните електрони, които индуцират мигновени диполи.
Те са отговорни и за вещества като масла или восъци, образувани главно от неполярни въглеводородни вериги, проявяват вискозитет и остават свързани заедно или че някои биологични молекули разпознават и се съчетават, сякаш са парчета от пъзел, благодарение на финото свързване на множество слаби взаимодействия от този тип.
Благодарение на постоянното проучване, което Прилага се за всички видове химични връзки Съществуващото е, че успяхме да разберем малко повече за това как работи материята и как тя може да се трансформира в напълно нов продукт или да се върне към формата си след промяна в действие на обмен или преразпределение на електрони, както е описано в повечето от тези процеси.
Всички тези знания са постигнати благодарение на технологичния напредък, тъй като преди съществуването на атомите само се е спекулирало, а пример за това е съществуването на... атомни модели предложени от велики философски мислители. Въпреки че не са били толкова далеч от това, което е известно днес, тези процеси са били много по-добре разбрани чрез експерименти, спектроскопски техники, електронна микроскопия и инструменти за компютърно симулиране.
Разберете видове химични връзки, които изграждат материята Това е ключово за обяснението защо всяко вещество има специфични свойства, как се образуват нови материали и каква е молекулярната основа на биологичните и технологичните процеси, които поддържат ежедневието ни.