Een chemische binding is de binding tussen twee of meer atomen (moleculen) in een organische of anorganische verbinding. Het wordt gevormd onder de voorwaarde van een afname van de totale energie in het systeem.
Kunnen alle elementen chemische bindingen vormen?
Alle elementen van het periodiek systeem hebben verschillendevermogen om communicatie te vormen. De meest stabiele en daardoor chemisch inactieve zijn atomen van edele (inerte) gassen, omdat ze twee of acht elektronen op de buitenste elektronenschil bevatten. Ze vormen een klein aantal bindingen. Neon, helium en argon vormen bijvoorbeeld met geen enkel element chemische bindingen, terwijl xenon, krypton en radon kunnen reageren met fluor- en watermoleculen.
Voor atomen van andere elementen zijn de buitenste niveaus niet voltooid en hebben ze één tot zeven elektronen, daarom vormen ze chemische bindingen om de stabiliteit van de schillen te vergroten.
Soorten chemische bindingen
Er zijn verschillende soorten communicatie:
- covalent.
- Ionisch.
- Metalen.
- Waterstof.
Covalente binding
Dit type binding wordt gevormd tussen atomen inmolecuul als gevolg van socialisatie of overlapping van een valentie-elektronenpaar. Dienovereenkomstig zijn er uitwisselings- (a) en donor-acceptor (b) mechanismen voor de vorming van een covalente binding. Een apart geval is de datiefbinding, die hieronder zal worden besproken.
Covalente binding: uitwisselingsmechanisme
Atomen op het buitenste niveau zijn ontkoppeldelektronen. Bij interactie overlappen de buitenste schillen. De antiparallelle spins van de enkele elektronen in de buitenste niveaus vormen samen een elektronenpaar dat beide atomen gemeen hebben. Dit elektronenpaar is in feite een covalente binding, die wordt gevormd door een uitwisselingsmechanisme, bijvoorbeeld in een waterstofmolecuul.
Covalente binding: donor-acceptormechanisme
Dit mechanisme bestaat uit socialiserentwee atomen van twee elektronen op het buitenste niveau. In dit geval fungeert een van de atomen als donor (levert twee elektronen op) en de andere - een acceptor (heeft een lege orbitaal voor elektronen). Atomen van s- en p-elementen kunnen zowel acceptoren als elektronendonoren zijn. D-element atomen kunnen zowel donor als acceptor zijn.
Om te begrijpen wat het donor-acceptormechanisme is, moet u twee eenvoudigste voorbeelden bekijken: de vorming van hydroniumkationen H3oh+ en ammonium NH4+.
Een voorbeeld van een donor-acceptormechanisme is het ammoniumkation
Schematisch is de reactie van de vorming van een ammoniumdeeltje als volgt:
NH3+ H+= NH4+
De elektronen in het N-atoom zijn in de volgende volgorde verdeeld: 1s2 2 sec2 2p3.
Elektronische structuur van het H: 1s-kation0.
Het stikstofatoom op het buitenste niveau bevat twee s- endrie p-elektronen. Drie p-elektronen nemen deel aan de vorming van drie bindingen van het covalente uitwisselingstype stikstof-waterstof N-H. Dit resulteert in de vorming van een ammoniakmolecuul NH3 met een covalente binding. Aangezien het stikstofatoom N op het buitenste niveau een elektronenpaar s heeft, is de NH3 kan ook een waterstofkation toevoegen. Het ammoniakmolecuul is een donor, en het waterstofkation H+ - een acceptor die donorelektronen accepteert van stikstof naar zijn eigen vrije s-orbitaal.
Een voorbeeld van een donor-acceptormechanisme is H3O (hydroniumion)
De elektronen in het zuurstofatoom zijn in de volgende volgorde verdeeld: 1s2 2 sec2 2p4.
Het zuurstofatoom op het buitenste niveau heeft twee s envier p-elektronen. Op basis hiervan nemen twee vrije p-elektronen en twee s-elektronen van twee H-atomen deel aan de vorming van H-O-bindingen, dat wil zeggen, er zijn 2 bestaande bindingen in het H-molecuul2O - covalent, gevormd door het uitwisselingsmechanisme.
Elektronische structuur van waterstofkation: 1s0.
Aangezien het zuurstofatoom op het buitenste niveau:er zijn nog twee elektronen (s-type), het kan een derde binding van het covalente type vormen door het donor-acceptormechanisme. Een acceptor kan een atoom zijn met een vrije baan, in dit voorbeeld is het een deeltje H+... De vrije s-orbitaal van de H+ bezetten twee elektronen (s) van het zuurstofatoom.
Donor-acceptormechanisme voor de vorming van een covalente binding tussen anorganische moleculen
Donor-acceptormechanisme van covalente bindingis niet alleen mogelijk bij interacties van het type "atoom-atoom" of "molecuul-atoom", maar ook bij reacties die optreden tussen moleculen. De enige voorwaarde voor de donor-acceptorinteractie van kinetisch onafhankelijke moleculen is een afname van entropie, met andere woorden, een toename van de ordening van de chemische structuur.
Beschouw het eerste voorbeeld - de vorming van aprotisch zuur (Lewiszuur) NH3vriendje3... Dit anorganische complex wordt gevormd in de reactie van toevoeging van een molecuul ammoniak en boorfluoride.
NH3+ BF3= NH3vriendje3
De elektronen in het booratoom zijn in de volgende volgorde verdeeld: 1s2 2 sec2 2p1.
Bij excitatie van atoom B gaat één s-type elektron over naar het p-subniveau (1s2 2 sec1 2p2). Er zijn dus twee s- en twee p-elektronen op het buitenste niveau van een aangeslagen booratoom.
In het BF-molecuul3 drie covalente boor-fluor B-F-bindingen worden gevormduitwisselingstype (boor- en fluoratomen leveren elk één elektron). Na de vorming van drie covalente bindingen in het booratoom blijft op de buitenste elektronenschil een vrij p-subniveau achter, waardoor het boorfluoridemolecuul als elektronenacceptor kan fungeren.
De elektronen in het stikstofatoom zijn in de volgende volgorde verdeeld: 1s2 2 sec2 2p3.
Drie elektronen elk van de N- en H-atomen nemen deel aande vorming van een stikstof-waterstofbinding. Daarna heeft stikstof nog twee s-type elektronen, die het kan zorgen voor de vorming van een binding door het donor-acceptormechanisme.
In de reactie van interactie van boortrifluoride en ammoniak, het NH-molecuul3 speelt de rol van elektronendonor, en de BF3 - een acceptant. Een paar stikstofelektronen bezet de vrije baan van boorfluoride en een chemische verbinding NH wordt gevormd3vriendje3.
Een ander voorbeeld van een mechanisme voor de vorming van een donor-acceptorbinding is de productie van een polymeer van berylliumfluoride.
De reactie is schematisch als volgt:
BeF2+ BeF2+… + BeF2-> (BeF2)n
De elektronen in het Be-atoom zijn als volgt gerangschikt - 1s2 2 sec2, en in het F-atoom - 1s2 2 sec2 2p5.
Twee beryllium-fluorbindingen in het berylliumfluoridemolecuul zijn van het covalente uitwisselingstype (twee p-elektronen van twee fluoratomen en twee elektronen van het s-subniveau van het berylliumatoom zijn betrokken).
Tussen een paar beryllium (Be) en fluor (F) atomennog twee covalente bindingen worden gevormd door het donor-acceptormechanisme. In het polymeer van berylliumfluoride is het fluoratoom de elektronendonor, het berylliumatoom is hun acceptor, die een lege orbitaal heeft.
Donor-acceptormechanisme voor de vorming van een covalente binding tussen organische moleculen
Wanneer er een formatie is van communicatie opnaar het overwogen mechanisme tussen moleculen van organische aard, worden meer complexe verbindingen gevormd - complexen. Elke organische verbinding met een covalente binding bevat zowel bezette (niet-bindende en bindende) als lege orbitalen (losmaken en niet-bindend). De mogelijkheid van donor-acceptorvorming van complexen wordt bepaald door de mate van stabiliteit van het complex, die afhangt van de bindingssterkte.
Laten we een voorbeeld bekijken - de reactie van interactiemethylaminemoleculen met zoutzuur om methylammoniumchloride te vormen. In het methylaminemolecuul zijn alle bindingen covalent, gevormd door het uitwisselingsmechanisme - twee H-N-bindingen en één N-CH-binding3... Na combineren met waterstof en methylgroep, het stikstofatoom heeft een paar s-type elektronen. Als donor levert het dit elektronenpaar voor het waterstofatoom (acceptor), dat een vrije baan heeft.
Donor-acceptormechanisme zonder de vorming van een chemische binding
Niet in alle gevallen van donor-acceptorinteractie is de socialisatie van het elektronenpaar en de vorming van een binding. Sommige organische verbindingen kunnen met elkaar combineren vanwege de overlap van de gevulde donororbitaal met de lege acceptororbitaal. Er is een ladingsoverdracht - elektronen worden gedelokaliseerd tussen de acceptor en donor, die heel dicht bij elkaar liggen. Er worden ladingsoverdrachtscomplexen (CTC's) gevormd.
Deze interactie is typisch voor pi-systemen,waarvan de orbitalen elkaar gemakkelijk overlappen en elektronen gemakkelijk worden gepolariseerd. Metallocenen, onverzadigde aminoverbindingen, TDAE (tetrakis (dimethylamino) ethyleen) kunnen als donoren fungeren. Fullerenen en chinodimethanen met acceptorsubstituenten zijn vaak acceptoren.
De overdracht van kosten kan gedeeltelijk of volledig zijn. Volledige ladingsoverdracht vindt plaats bij foto-excitatie van het molecuul. Dit vormt een complex dat spectraal kan worden waargenomen.
Ongeacht de volledigheid van de overdracht van kosten, dergelijkecomplexen zijn instabiel. Om de sterkte en levensduur van een dergelijke toestand te vergroten, wordt bovendien een bruggroep geïntroduceerd. Dientengevolge worden donor-acceptorsystemen met succes gebruikt in apparaten voor het omzetten van zonne-energie.
In sommige organische moleculen is de bindinghet donor-acceptormechanisme wordt gevormd in het molecuul tussen de donor- en acceptorgroepen. Dit type interactie wordt het transannulaire effect genoemd, dat bijvoorbeeld kenmerkend is voor atranen (organo-elementverbindingen met N-> B-, N-> Si-bindingen).
Semipolaire binding, of datief mechanisme van bindingsvorming
Naast ruil en donor-acceptor is er:het derde mechanisme is datief (andere namen zijn semipolaire, semipolaire of coördinatieverbinding). Het donoratoom doneert een paar elektronen aan de lege baan van het neutrale atoom, dat twee elektronen nodig heeft om het buitenste niveau te voltooien. Er is een soort overgang van de elektronendichtheid van de acceptor naar de donor. In dit geval wordt de donor positief geladen (kation) en de acceptor negatief geladen (anion).
De eigenlijke chemische binding wordt gevormd door:de bindende schil (overlapping van twee gepaarde elektronen van een van de atomen met de buitenste vrije orbitaal van de andere) en elektrostatische aantrekking die ontstaat tussen het kation en het anion. Zo worden de covalente en ionische typen gecombineerd in de semipolaire binding. Een semi-polaire binding is kenmerkend voor d-elementen, die in verschillende verbindingen zowel de rol van acceptor als donor kunnen spelen. In de meeste gevallen wordt het aangetroffen in complexe en organische stoffen.
Voorbeelden van Dative Link
Het eenvoudigste voorbeeld is een chloormolecuul.Eén Cl-atoom doneert een elektronenpaar aan een ander chlooratoom, dat een vrije d-orbitaal heeft. In dit geval wordt het ene Cl-atoom positief geladen, het andere negatief en ontstaat er een elektrostatische aantrekking tussen hen. Door zijn lange lengte heeft de datiefbinding een lagere sterkte in vergelijking met het covalente uitwisselings- en donor-acceptortype, maar de aanwezigheid ervan verhoogt de sterkte van het chloormolecuul. Daarom is de Cl2 sterker dan F2 (het fluoratoom heeft geen d-orbitalen, de fluor-fluorbinding is alleen covalente uitwisseling).
Molecuul van koolmonoxide CO (koolmonoxide)gevormd door drie C-O bindingen. Omdat zuurstof- en koolstofatomen twee enkele elektronen op het buitenste niveau hebben, worden er twee covalente uitwisselingsbindingen tussen gevormd. Daarna heeft het koolstofatoom een lege orbitaal en heeft het O-atoom twee paar elektronen op het buitenste niveau. Daarom is er in het molecuul koolmonoxide (II) een derde binding - een semipolaire, gevormd door twee valentie-gepaarde elektronen van zuurstof en een vrije baan van koolstof.
Laten we een complexer voorbeeld bekijken - de vorming van dit type binding door het voorbeeld van de interactie van dimethylether (Н3С-О-СН3) met aluminiumchloride AlCl3... Het zuurstofatoom in dimethylether is verbonden door tweecovalente bindingen met methylgroepen. Daarna heeft hij nog twee elektronen op het p-subniveau, die hij aan het acceptoratoom (aluminium) geeft en een positief kation wordt. In dit geval krijgt het acceptoratoom een negatieve lading (verandert in een anion). Het kation en anion interageren elektrostatisch met elkaar.
Donor-acceptor obligatie waarde
Het mechanisme van de vorming van donor-acceptorbindingenis belangrijk in het menselijk leven en is wijdverbreid in chemische verbindingen van zowel organische als anorganische aard, wat wordt bevestigd door de hierboven besproken voorbeelden. Ammoniumalcohol, dat een ammoniumkation bevat, wordt met succes gebruikt in het dagelijks leven, de geneeskunde en de industriële productie van meststoffen. Hydroniumion speelt een belangrijke rol bij het oplossen van zuren in water. Koolmonoxide wordt in de industrie gebruikt (bijvoorbeeld bij de productie van meststoffen, lasersystemen) en is van groot belang in de fysiologische systemen van het menselijk lichaam.
