En kjemisk binding er bindingen mellom to eller flere atomer (molekyler) i en organisk eller uorganisk forbindelse. Den dannes under forutsetning av en reduksjon i den totale energien i systemet.
Kan alle grunnstoffer danne kjemiske bindinger?
Alle elementene i det periodiske systemet har forskjelligeevne til å danne kommunikasjon. De mest stabile og som et resultat kjemisk inaktive er atomer av edle (inerte) gasser, siden de inneholder to eller åtte elektroner på det ytre elektronskallet. De danner et lite antall obligasjoner. For eksempel danner neon, helium og argon ikke kjemiske bindinger med noe element, mens xenon, krypton og radon kan reagere med fluor- og vannmolekyler.
For atomer av andre grunnstoffer er de ytre nivåene ufullstendige og har fra ett til syv elektroner. For å øke stabiliteten til skallene danner de kjemiske bindinger.
Kjemiske bindingstyper
Det er flere typer kommunikasjon:
- Kovalent.
- Jonisk.
- Metallisk.
- Hydrogen.
Kovalent binding
Denne typen binding dannes mellom atomer imolekyl som et resultat av sosialisering eller overlapping av et valenselektronpar. Følgelig er det utvekslingsmekanismer (a) og donor-akseptor (b) mekanismer for dannelse av en kovalent binding. En egen sak er dativbindingen, som vil bli diskutert nedenfor.
Kovalent binding: utvekslingsmekanisme
Atomer på ytre nivå har ikke blitt parretelektroner. Når du samhandler, overlapper de ytre skallene. De antiparallelle spinnene til enkeltelektronene som er inneholdt i de ytre nivåparene, danner et elektronpar som er felles for begge atomer. Dette elektronparet er faktisk en kovalent binding som dannes av en utvekslingsmekanisme, for eksempel i et hydrogenmolekyl.
Kovalent binding: donor-akseptormekanisme
Denne mekanismen består i sosialt samværto atomer med to elektroner på det ytre nivået. I dette tilfellet fungerer et av atomene som en donor (gir to elektroner), og den andre - en akseptor (har en ledig bane for elektroner). Atomer av s- og p-elementer kan være enten akseptorer eller elektrondonorer. D-elementatomer er i stand til å være både givere og akseptorer.
For å forstå hva donor-akseptormekanismen er, la oss se på to enkleste eksempler - dannelsen av hydroniumkationer H3Oh+ og ammonium NH4+.
Et eksempel på en donor-akseptormekanisme - ammoniumkation
Skjematisk er reaksjonen av dannelsen av en ammoniumpartikkel som følger:
NH3+ H+= NH4+
Elektronene i N-atomet fordeles i følgende rekkefølge: 1s2 2s2 2p3.
Elektronisk struktur av H: 1s kation0.
Nitrogenatomet på det ytre nivået inneholder to s- ogtre p-elektroner. Tre p-elektroner deltar i dannelsen av tre kovalente bindinger av nitrogen-hydrogen N-H. Som et resultat dannes ammoniakkmolekylet NH3 med en kovalent binding. Siden nitrogenatomet N på det ytre nivået har et par elektroner s, NH3 kan også legge til et hydrogenkation. Ammoniakkmolekylet er en donor, og hydrogenkationen H+ - en akseptor som aksepterer donorelektroner fra nitrogen til sin egen gratis s-orbital.
Et eksempel på en donor-akseptormekanisme er H3O (hydroniumion)
Elektronene i oksygenatomet fordeles i følgende rekkefølge: 1s2 2s2 2p4.
Oksygenatomet på det ytre nivået har to s ogfire p-elektroner. Basert på dette deltar to frie p-elektroner og to s-elektroner fra to H-atomer i dannelsen av H-bindinger. Det vil si to eksisterende bindinger i H-molekylet2O - kovalent, dannet av utvekslingsmekanismen.
Elektronisk struktur av hydrogenkation: 1s0.
Siden oksygenatomet på det ytre nivåetdet er fremdeles to elektroner (s-type), den kan danne en tredje binding av den kovalente typen ved donor-akseptormekanismen. En akseptor kan være et atom med en fri bane, i dette eksemplet er det en partikkel H+... Den gratis s-orbitalen til H+ okkuperer to elektroner av oksygenatomet.
Donor-akseptormekanisme for dannelse av en kovalent binding mellom uorganiske molekyler
Donor-akseptormekanisme for kovalent bindinger mulig ikke bare i interaksjoner av typen "atom-atom" eller "molekyl-atom", men også i reaksjoner som forekommer mellom molekyler. Den eneste forutsetningen for donor-akseptor-interaksjonen av kinetisk uavhengige molekyler er en reduksjon i entropi, med andre ord en økning i rekkefølgen av den kjemiske strukturen.
Tenk på det første eksemplet - dannelsen av aprottsyre (Lewis-syre) NH3Bf3... Dette uorganiske komplekset dannes i reaksjonen av tilsetning av et molekyl ammoniakk og borfluorid.
NH3+ BF3= NH3Bf3
Elektronene i boratomet fordeles i følgende rekkefølge: 1s2 2s2 2p1.
Ved eksitering av atom B går en s-type elektron over til p-undernivå (1s2 2s1 2p2). Dermed er det to s og to p elektroner på det ytre nivået av et eksitert boratom.
I BF-molekylet3 det dannes tre kovalente bor-fluor-B-F-bindingerbyttetype (bor- og fluoratomer gir ett elektron hver). Etter dannelsen av tre kovalente bindinger i boratomet på det ytre elektronskallet, gjenstår et fritt p-undernivå, på grunn av hvilket borfluoridmolekylet kan fungere som en elektronakseptor.
Elektronene i nitrogenatomet fordeles i følgende rekkefølge: 1s2 2s2 2p3.
Tre elektroner hver fra N- og H-atomene deltar idannelsen av en nitrogen-hydrogenbinding. Etter det har nitrogen fremdeles to s-type elektroner, som det kan gi for dannelsen av en binding av donor-akseptormekanismen.
I reaksjonen av interaksjon av bortrifluorid og ammoniakk, NH-molekylet3 spiller rollen som en elektrondonor, og BF3 - en akseptor. Et par nitrogenelektroner okkuperer borefluoridens frie bane, og en kjemisk forbindelse NH dannes3Bf3.
Et annet eksempel på mekanismen for dannelse av en donor-akseptorbinding er produksjonen av en polymer av berylliumfluorid.
Reaksjonen er skjematisk som følger:
BeF2+ BeF2+ ... + BeF2-> (BeF2)n
Elektronene i Be-atomet er ordnet som følger - 1s2 2s2, og i F-atomet - 1s2 2s2 2p5.
To beryllium-fluorbindinger i berylliumfluoridmolekylet er kovalent utvekslingstype (to p-elektroner fra to fluoratomer og to elektroner av s-undernivået til berylliumatomet er involvert).
Mellom et par beryllium (Be) og fluor (F) atomerytterligere to kovalente bindinger dannes av donor-akseptormekanismen. I polymeren av berylliumfluorid er fluoratomet elektrondonor, berylliumatomet er deres akseptor, som har en ledig bane.
Donor-akseptormekanisme for dannelse av en kovalent binding mellom organiske molekyler
Når forbindelsen dannes avtil den betraktede mekanismen mellom molekyler av organisk natur, dannes mer komplekse forbindelser - komplekser. Enhver organisk forbindelse med en kovalent binding inneholder både okkuperte (ikke-bindende og bindende) og tomme orbitaler (løsner og ikke-bindende). Muligheten for donor-akseptordannelse av komplekser bestemmes av kompleksets stabilitetsgrad, som avhenger av bindingsstyrken.
Tenk på et eksempel - interaksjonsreaksjonmetylaminmolekyler med saltsyre for å danne metylammoniumklorid. I metylaminmolekylet er alle bindinger kovalente, dannet av utvekslingsmekanismen - to H-N-bindinger og en N-CH-binding3... Etter å ha kombinert med hydrogen og metylgruppe, har nitrogenatomet et par elektroner av s-typen. Som giver gir den dette elektronparet for hydrogenatomet (akseptoren), som har en fri bane.
Donor-akseptormekanisme uten dannelse av en kjemisk binding
Ikke i alle tilfeller av donor-akseptorinteraksjon er sosialisering av elektronparet og dannelsen av en binding. Noen organiske forbindelser kan kombineres med hverandre på grunn av overlappingen mellom den fylte donorbanen og den tomme akseptorbanen. Ladingsoverføring skjer - elektroner delokaliseres mellom akseptoren og giveren, som er veldig nær hverandre. Charge transfer complexes (CTCs) dannes.
Denne interaksjonen er typisk for pi-systemer,hvis orbitaler lett overlapper hverandre, og elektroner er lett polariserte. Metallocener, umettede aminoforbindelser, TDAE (tetrakis (dimetylamino) etylen) kan fungere som givere. Fullerener og kinodimetaner med akseptorsubstituenter er ofte akseptorer.
Kostnadsoverføring kan være delvis eller fullstendig. Full ladningsoverføring skjer ved fotoeksitering av molekylet. Dette danner et kompleks som kan observeres spektralt.
Uavhengig av fullføringen av overføring av kostnader, slikkomplekser er ustabile. For å øke styrken og levetiden til en slik tilstand introduseres i tillegg en brogruppe. Som et resultat blir donor-akseptorsystemer vellykket brukt i enheter for konvertering av solenergi.
I noen organiske molekyler, bindingendonor-akseptormekanismen er dannet inne i molekylet mellom donor- og acceptorgruppene. Denne typen interaksjon kalles den transannulære effekten, karakteristisk for eksempel for atraner (organiske elementforbindelser med N-> B, N-> Si-bindinger).
Semipolar binding, eller Dative mekanisme for binding dannelse
I tillegg til utveksling og givermottaker, er detden tredje mekanismen er dativ (andre navn er semipolar, semipolar eller koordinasjonskommunikasjon). Donoratomet donerer et par elektroner til det ledige omløpet til det nøytrale atomet, som trenger to elektroner for å fullføre det ytre nivået. En spesiell overgang av elektrontettheten fra akseptoren til giveren finner sted. I dette tilfellet blir giveren positivt ladet (kation), og akseptoren blir negativt ladet (anion).
Den faktiske kjemiske bindingen dannes pgabindingsskallet (overlapping av to sammenkoblede elektroner av det ene atomene med den ytre frie bane av det andre) og elektrostatisk tiltrekning som oppstår mellom kationet og anionet. Dermed kombineres de kovalente og ioniske typene i den semipolare bindingen. En semipolær binding er karakteristisk for d-elementer, som i forskjellige forbindelser kan spille rollen som både en akseptor og en giver. I de fleste tilfeller finnes det i komplekse og organiske stoffer.
Eksempler på Dative Link
Det enkleste eksemplet er et klormolekyl.Et Cl-atom donerer et par elektroner til et annet kloratom, som har en fri d-orbital. I dette tilfellet er det ene Cl-atom ladet positivt, det andre negativt, og en elektrostatisk tiltrekning oppstår mellom dem. På grunn av sin lange lengde har dativbindingen en lavere styrke sammenlignet med den kovalente utvekslingen og donor-akseptortypen, men dens tilstedeværelse øker styrken til klormolekylet. Det er derfor Cl2 sterkere enn F2 (fluoratomet har ingen d-orbitaler, fluor-fluorbinding er bare kovalent utveksling).
Molekyl av karbonmonoksid CO (karbonmonoksid)dannet av tre C-O obligasjoner. Siden oksygen og karbonatomer har to enkeltelektroner på det ytre nivået, dannes to kovalente utvekslingsbindinger mellom dem. Etter det har karbonatomet en ledig bane, og O-atomet har to par elektroner på det ytre nivået. Derfor er det i molekylet karbonmonoksid (II) en tredje binding - en semipolær, dannet på grunn av to valensparrede elektroner av oksygen og en fri omløp av karbon.
La oss vurdere et mer komplekst eksempel - dannelsen av denne typen binding ved eksemplet på interaksjonen mellom dimetyleter (С3С-О-СН3) med aluminiumklorid AlCl3... Oksygenatomet i dimetyleter er koblet sammen med tokovalente bindinger med metylgrupper. Etter det har han fortsatt to elektroner til på p-undernivået, som han gir til akseptoratomet (aluminium) og blir et positivt kation. I dette tilfellet får akseptoratomet en negativ ladning (blir til et anion). Kationet og anionet samhandler elektrostatisk med hverandre.
Donor-akseptor obligasjonsverdi
Mekanisme for dannelse av donor-akseptorbindinger viktig i menneskeliv og er utbredt i kjemiske forbindelser av både organisk og uorganisk natur, noe som er bekreftet av eksemplene diskutert ovenfor. Ammoniumalkohol, som inneholder et ammoniumkation, brukes vellykket i hverdagen, medisin og industriell produksjon av gjødsel. Hydroniumion spiller en viktig rolle i oppløsningen av syrer i vann. Karbonmonoksid brukes i industrien (for eksempel i produksjon av gjødsel, lasersystemer) og er av stor betydning i de fysiologiske systemene i menneskekroppen.
