Chemická väzba je väzba medzi dvoma alebo viacerými atómami (molekulami) v organickej alebo anorganickej zlúčenine. Vzniká za predpokladu zníženia celkovej energie v systéme.
Môžu všetky prvky vytvárať chemické väzby?
Všetky prvky periodickej tabuľky sa líšiaschopnosť vytvárať komunikáciu. Najstabilnejšie a v dôsledku toho chemicky neaktívne sú atómy vzácnych (inertných) plynov, pretože na vonkajšom plášti elektrónov obsahujú dva alebo osem elektrónov. Tvoria malý počet väzieb. Napríklad neón, hélium a argón netvoria chemické väzby so žiadnym prvkom, zatiaľ čo xenón, kryptón a radón môžu reagovať s molekulami fluóru a vody.
Pre atómy iných prvkov nie sú vonkajšie úrovne dokončené a majú jeden až sedem elektrónov, preto na zvýšenie stability škrupín vytvárajú chemické väzby.
Druhy chemických väzieb
Existuje niekoľko typov komunikácie:
- Kovalentný.
- Iónsky.
- Metalický.
- Vodík.
Kovalentná väzba
Tento typ väzby sa tvorí medzi atómami vmolekula v dôsledku socializácie alebo prekrývania valenčného elektrónového páru. V súlade s tým existujú mechanizmy výmeny (a) a donor-akceptor (b) na vytvorenie kovalentnej väzby. Samostatným prípadom je datívna väzba, ktorá bude diskutovaná nižšie.
Kovalentná väzba: mechanizmus výmeny
Atómy na vonkajšej úrovni sa nespárovalielektróny. Pri interakcii sa vonkajšie škrupiny prekrývajú. Antiparalelné točenia jednotlivých elektrónov obsiahnutých vo vonkajších pároch úrovní tvoria elektrónový pár spoločný pre oba atómy. Tento pár elektrónov je v skutočnosti kovalentnou väzbou, ktorá je vytvorená výmenným mechanizmom napríklad v molekule vodíka.
Kovalentná väzba: mechanizmus darca-akceptora
Tento mechanizmus spočíva v socializáciidva atómy dvoch elektrónov na vonkajšej úrovni. V tomto prípade jeden z atómov funguje ako darca (poskytuje dva elektróny) a druhý - akceptor (má prázdny orbitál pre elektróny). Atómy s- a p-prvkov môžu byť buď akceptory, alebo darcovia elektrónov. Atómy D-prvkov môžu byť darcami aj akceptormi.
Aby sme pochopili, čo je mechanizmus darca -akceptora, zvážte dva najjednoduchšie príklady - tvorbu hydróniových katiónov H3ach+ a amónny NH4+.
Príkladom mechanizmu donor-akceptor je amónny katión
Schematicky je reakcia tvorby amóniových častíc nasledovná:
NH3+ H+= NH4+
Elektróny v atóme N sú distribuované v nasledujúcom poradí: 1 s2 2 s2 2 s3.
Elektronická štruktúra katiónu H: 1s0.
Atóm dusíka na vonkajšej úrovni obsahuje dva s- atri p-elektróny. Tri p-elektróny sa podieľajú na tvorbe troch väzieb kovalentného výmenného typu dusík-vodík N-H. Výsledkom je tvorba molekuly amoniaku NH3 s kovalentnou väzbou. Pretože atóm dusíka N na vonkajšej úrovni má pár elektrónov s, NH3 môže tiež pridať vodíkový katión. Molekula amoniaku je darcom a vodíkový katión H+ - akceptor, ktorý prijíma darcovské elektróny z dusíka na svoj vlastný voľný s-orbitál.
Príkladom mechanizmu donora-akceptora je H3O (hydróniový ión)
Elektróny v atóme kyslíka sú distribuované v nasledujúcom poradí: 1 s2 2 s2 2 s4.
Atóm kyslíka na vonkajšej úrovni má dva s aštyri p-elektróny. Na základe toho sa dva voľné p-elektróny a dva s-elektróny z dvoch atómov H podieľajú na tvorbe väzieb H-O. To znamená, že v molekule H existujú 2 existujúce väzby2O - kovalentný, tvorený výmenným mechanizmom.
Elektronická štruktúra vodíkového katiónu: 1 s0.
Pretože atóm kyslíka na vonkajšej úrovnistále existujú dva elektróny (typ s), môžu tvoriť tretiu väzbu kovalentného typu mechanizmom donor-akceptor. Akceptorom môže byť atóm s voľným orbitálom, v tomto prípade je to častica H+... Voľný s-orbitál H+ zaberajú dva elektróny (y) atómu kyslíka.
Mechanizmus donora-akceptora na vytvorenie kovalentnej väzby medzi anorganickými molekulami
Mechanizmus kovalentnej väzby donor-akceptorje možná nielen pri interakciách typu „atóm-atóm“ alebo „molekula-atóm“, ale aj pri reakciách prebiehajúcich medzi molekulami. Jedinou podmienkou interakcie kineticky nezávislých molekúl darca-akceptor je zníženie entropie, inými slovami, zvýšenie usporiadania chemickej štruktúry.
Zoberme si prvý príklad - tvorbu kyseliny aprotickej (Lewisova kyselina) NH3Bf3... Tento anorganický komplex vzniká reakciou pridania molekuly amoniaku a fluoridu boritého.
NH3+ BF3= NH3Bf3
Elektróny v atóme bóru sú distribuované v nasledujúcom poradí: 1 s2 2 s2 2 s1.
Po excitácii atómu B jeden elektrón typu s prejde do podúrovne p (1 s2 2 s1 2 s2). Na vonkajšej úrovni excitovaného atómu bóru teda existujú dva s a dva p elektróny.
V molekule BF3 vzniknú tri kovalentné väzby B-F bór-fluórvýmenný typ (atómy bóru a fluóru poskytujú po jednom elektróne). Po vytvorení troch kovalentných väzieb v atóme bóru zostáva na vonkajšom elektrónovom obale voľný podúrovňový p, vďaka ktorému môže molekula fluoridu boritého pôsobiť ako akceptor elektrónov.
Elektróny v atóme dusíka sú distribuované v nasledujúcom poradí: 1 s2 2 s2 2 s3.
Zúčastňujú sa na tom tri elektróny z atómov N a Hvytvorenie väzby dusík-vodík. Potom má dusík ešte dva elektróny typu s, ktoré môže poskytnúť na vytvorenie väzby mechanizmom donor-akceptor.
Pri reakcii interakcie fluoridu boritého a amoniaku vzniká NH3 hrá úlohu darcu elektrónov a BF3 - akceptor. Dvojica dusíkových elektrónov zaberá voľný orbitál fluoridu boritého a vzniká chemická zlúčenina NH3Bf3.
Ďalším príkladom mechanizmu vytvorenia väzby donor-akceptor je výroba polyméru fluoridu berýlia.
Reakcia je schematicky nasledovná:
BeF2+ BeF2+… + BeF2-> (BeF2)n
Elektróny v atóme Be sú usporiadané nasledovne - 1 s2 2 s2a v atóme F - 1 s2 2 s2 2 s5.
Dve beryllium-fluórové väzby v molekule fluoridu berýlia sú kovalentného výmenného typu (sú zahrnuté dva p-elektróny z dvoch atómov fluóru a dva elektróny s-podúrovne atómu berýlia).
Medzi dvojicou atómov berýlia (Be) a fluóru (F)mechanizmom donor-akceptor sa vytvoria ďalšie dve kovalentné väzby. V polyméri fluoridu berýlia je atóm fluóru donorom elektrónov, atóm berýlia je ich akceptorom, ktorý má prázdny orbitál.
Mechanizmus akceptora darcu na vytvorenie kovalentnej väzby medzi organickými molekulami
Keď je spojenie vytvorené pomocouuvažovaný mechanizmus medzi molekulami organickej prírody, vznikajú komplexnejšie zlúčeniny - komplexy. Akákoľvek organická zlúčenina s kovalentnou väzbou obsahuje obsadené (neväzbové a väzbové) aj prázdne orbitaly (uvoľňujúce a neväzobné). Možnosť tvorby komplexov donor-akceptor je daná stupňom stability komplexu, ktorý závisí od pevnosti väzby.
Zoberme si príklad - interakčná reakciamolekuly metylamínu s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku metylamóniumchloridu. V molekule metylamínu sú všetky väzby kovalentné, tvorené výmenným mechanizmom-dve väzby H-N a jedna väzba N-CH3... Po spojení s vodíkom a metylomskupina má atóm dusíka pár elektrónov typu s. Ako darca poskytuje tento elektrónový pár pre atóm vodíka (akceptor), ktorý má voľný orbitál.
Mechanizmus donora-akceptora bez vytvorenia chemickej väzby
Nie vo všetkých prípadoch darca-príjemcainterakcia je socializácia elektrónového páru a vytvorenie väzby. Niektoré organické zlúčeniny sa môžu navzájom kombinovať v dôsledku prekrývania naplneného darcovského orbitálu s prázdnym akceptorovým orbitálom. Dochádza k prenosu náboja - elektróny sa delokalizujú medzi akceptorom a darcom, ktoré sú veľmi blízko seba. Vytvárajú sa komplexy prenosu náboja (CTC).
Táto interakcia je typická pre pi systémy,ktorých orbitály sa ľahko prekrývajú a elektróny sú ľahko polarizované. Metalocény, nenasýtené aminozlúčeniny, TDAE (tetrakis (dimetylamino) etylén) môžu pôsobiť ako darcovia. Fullerény a chinodimetány s akceptorovými substituentmi sú často akceptormi.
Prenos poplatkov môže byť čiastočný alebo úplný. K úplnému prenosu náboja dôjde po fotoexcitácii molekuly. Toto tvorí komplex, ktorý je možné pozorovať spektrálne.
Bez ohľadu na úplnosť prenosu poplatkov, ako naprkomplexy sú nestabilné. Na zvýšenie pevnosti a životnosti takéhoto stavu je dodatočne zavedená mostíková skupina. Výsledkom je, že systémy darcu a príjemcu sa úspešne používajú v zariadeniach na premenu slnečnej energie.
V niektorých organických molekulách je väzbamechanizmus donor-akceptor je vytvorený vo vnútri molekuly medzi donorovými a akceptorovými skupinami. Tento typ interakcie sa nazýva transanulárny efekt, charakteristický napríklad pre atrany (organoprvkové zlúčeniny s väzbami N-> B, N-> Si).
Semipolárna väzba alebo dátový mechanizmus vzniku väzby
Okrem výmeny a darcu-príjemcu existujetretí mechanizmus je datívny (ostatné názvy sú semipolárna, semipolárna alebo koordinačná komunikácia). Darcovský atóm daruje pár elektrónov na prázdny orbitál neutrálneho atómu, ktorý potrebuje dva elektróny na dokončenie vonkajšej úrovne. Existuje druh prechodu hustoty elektrónov z akceptora na darcu. V tomto prípade je darca nabitý kladne (katión) a akceptor je nabitý záporne (anión).
Skutočná chemická väzba sa vytvára v dôsledkuväzbový obal (prekrývanie dvoch párovaných elektrónov jedného z atómov s vonkajším voľným orbitálom druhého) a elektrostatická príťažlivosť vznikajúca medzi katiónom a aniónom. Kovalentný a iónový typ sú teda kombinované v semipolárnej väzbe. Pre d-prvky je charakteristická semi-polárna väzba, ktorá v rôznych zlúčeninách môže hrať úlohu akceptora aj darcu. Vo väčšine prípadov sa nachádza v komplexných a organických látkach.
Príklady Dative Link
Najjednoduchším príkladom je molekula chlóru.Jeden atóm Cl daruje pár elektrónov ďalšiemu atómu chlóru, ktorý má voľný d-orbitál. V tomto prípade je jeden atóm Cl nabitý pozitívne, druhý negatívne a vzniká medzi nimi elektrostatická príťažlivosť. Vďaka svojej dlhej dĺžke má datívna väzba nižšiu pevnosť v porovnaní s typom kovalentnej výmeny a typu donor-akceptor, ale jej prítomnosť zvyšuje pevnosť molekuly chlóru. Preto Cl2 silnejší ako F.2 (atóm fluóru nemá d-orbitaly, väzba fluór-fluór je iba kovalentná výmena).
Molekula oxidu uhoľnatého CO (oxid uhoľnatý)tvorené tromi väzbami C-O. Pretože atómy kyslíka a uhlíka majú na vonkajšej úrovni dva jednoduché elektróny, vytvoria sa medzi nimi dve kovalentné výmenné väzby. Potom má atóm uhlíka prázdny orbitál a atóm O má dva páry elektrónov na vonkajšej úrovni. Preto je v molekule oxidu uhoľnatého (II) tretia väzba - semipolárna, vytvorená v dôsledku dvoch valenčných párových elektrónov kyslíka a voľného orbitálu uhlíka.
Zvážte komplexnejší príklad-vytvorenie tohto typu väzby na príklade interakcie dimetyléteru (Н3С-О-СН3) s chloridom hlinitým AlCl3... Atóm kyslíka v dimetyléteri je spojený dvomakovalentné väzby s metylovými skupinami. Potom má na podúrovni p ešte dva elektróny, ktoré odovzdá akceptorovému atómu (hliník) a stane sa pozitívnym katiónom. V tomto prípade akceptorový atóm získa negatívny náboj (zmení sa na anión). Katión a anión navzájom elektrostaticky interagujú.
Hodnota dlhopisu darca-príjemca
Mechanizmus vzniku väzby donor-akceptorje dôležitý v ľudskom živote a je rozšírený v chemických zlúčeninách organickej aj anorganickej povahy, čo potvrdzujú vyššie uvedené príklady. Amónny alkohol, ktorý obsahuje amónny katión, sa úspešne používa v každodennom živote, medicíne a priemyselnej výrobe hnojív. Hydroniový ión hrá hlavnú úlohu pri rozpúšťaní kyselín vo vode. Oxid uhoľnatý sa používa v priemysle (napríklad pri výrobe hnojív, laserových systémov) a má veľký význam vo fyziologických systémoch ľudského tela.
