Viela sastāv no sīkām daļiņām, kuras cilvēka acs neredz, un kuras sauc par atomi y molekulaskuras ir galvenās sastāvdaļas tam, ko mēs šodien pazīstam kā matēriju.
Iepriekš minētās daļiņas parasti ir iesaistīties arodbiedrības procesā kas ir pazīstams kā ķīmiskās saitesĶīmija tos pēta, lai izprastu tūkstošiem bioloģisko un fizikālo procesu, kas katru dienu notiek mūsu acu priekšā, bet kurus nav viegli uztvert. Pateicoties tiem, mēs esam sapratuši lielāko daļu notikumu, kas veido pasauli tādu, kāda tā ir: sākot ar to, kāpēc ūdens vārās noteiktā temperatūrā, līdz tam, kā metāli organizējas izturīgās struktūrās vai kā dzīvības molekulas tiek saturētas kopā.
Kas ir ķīmiskās saites?
Visas lietas pasaulē, tostarp dzīvas būtnes, piemēram, cilvēki, sastāv no atomiem un molekulām, kas savienojas procesā, kas pazīstams kā ķīmiskā saiteIr labi zināms, ka visi dzīvie organismi un pat inertie (nedzīvi objekti) sastāv no matērijas, un tas ir atkarīgs no ķīmisko saišu veidošanās un stabilitātes.
Vienkārši sakot, ķīmiskā saite ir spēks, kas tos satur kopā starp diviem vai vairākiem atomiem molekulā vai cietā struktūrā. Šis spēks var rasties no elektronu pārneseAr elektronu koplietošana vai ar esamību decentralizēti elektroniskie mākoņi kas brīvi pārvietojas starp daudziem atomiem, kā tas notiek metālos.
Atkarībā no tā, kā atomi un molekulas ir savienotas kopā, var noteikt, kāda veida ķīmiskā saite tiek risināta, un starp visizplatītākajām ir šādas: jonu saites, kovalents un metālisksTomēr pastāv arī citi mijiedarbības veidi, piemēram, ūdeņraža saites un Van der Valsa spēkikas ir būtiski, lai izprastu tādu svarīgu vielu kā ūdens vai olbaltumvielas struktūru.
Ķīmiskās saites sauc par tām pievilkšanās spēki kas ļauj diviem vai vairākiem atomiem palikt savienotiem noteiktu laiku un kas ļauj pārraidīt, apmainīties vai koplietot elektroni starp tiem. Bez šīm saitēm atomi paliktu izolēti, un molekulas un materiāli, kādus mēs tos pazīstam, nepastāvētu.
Pievilkšanās process, kas notiek starp diviem atomiem, ir nedaudz sarežģīts, taču, rūpīgi analizējot, to var viegli saprast. Galvenais, kas jāzina, ir tas, ka serdes Atomu kodoliem ir pozitīvi lādiņi (protoni), un tāpēc tie viens otru atgrūž. Tomēr šos kodolus ieskauj negatīvi lādēti elektroniko vienlaikus var pievilkt vairāk nekā viens kodols. Kad pievilkšanās starp viena atoma kodolu un cita atoma elektroniem kompensē atgrūšanos starp kodoliem, veidojas stabila ķīmiskā saite.
Kad notiek ķīmiskās saistīšanās process, parasti, ja ne gandrīz vienmēr, daži atomi zaudē elektronus Kamēr citi tos nopelna vai sadala vairāk vai mazāk taisnīgi. Procesa beigās var novērot elektriskā stabilitāte un enerģiju, kas padara šo savienību labvēlīgu, un ka iegūtajai vielai ir noteiktas īpašības, piemēram, cietība, kušanas temperatūra, vadītspēja vai šķīdība.
Ķīmisko saišu vispārīga klasifikācija un intuitīvs skatījums
Lai gan padziļinātā līmenī var izveidot daudzas kategorijas un apakštipus, pamatizglītībā mēs parasti runājam par Trīs galvenie ķīmisko saišu veidi Galvenie saišu veidi ir: jonu, kovalentās un metāliskās. Papildus tiek ņemtas vērā arī citas starpmolekulāras mijiedarbības, piemēram... ūdeņraža saites un Van der Valsa spēkikas, lai arī vājākas, ir būtiskas šķidrumu, molekulāro cietvielu un bioloģisko sistēmu struktūrai.
Jums varētu būt noderīgi izmantot sava veida "mnemoniku", lai atšķirtu šāda veida saites, pamatojoties uz to, kas notiek ar elektroniem:
- Kovalentā saite: atomi dalīties elektronos savā starpā. Neviens no tiem pilnībā neatsakās, bet gan veidojas kopīgs elektronisks pāris.
- Jonu saiteatoms pārnes elektronus viens otram. Viens tos zaudē (kļūst pozitīvs), bet otrs tos iegūst (kļūst negatīvs); pievilkšanās starp pretējiem lādiņiem rada saiti.
- Metāliska saite: elektroni pārvietojas brīvi starp daudziem metāliskiem atomiem, veidojot sava veida delokalizētu “elektronu mākoni” vai “elektronu jūru”.
No šīs vispārīgās idejas var precizēt daudzas detaļas un īpašības, ko redzēsiet katrā saites tipā.
Pieci ķīmisko saišu veidi
Tiks parādīts sekojošais ķīmiskās saites vissvarīgākais un dažas no to īpašībām, lai saprastu, kā tie darbojas un kādu lomu tie spēlē mūs ieskaujošajā vidē.
Metāla saites
Šāda veida saitē var redzēt, kā saite tiek izveidota. elektroniskais mākonis Šī struktūra satur kopā visu atomu grupu un to veido brīvie valences elektroni. Īsāk sakot, metālu atomi daļēji zaudē savus ārējos elektronus, kas vairs nepieder pie konkrēta atoma un kļūst kopīgi visā metāliskajā struktūrā.
Šajā procesā var novērot, kā atomi tiek pārveidoti par pozitīvie joni iegremdēts mobilo elektronu mākonī, nevis normālā procesā, kad blakus esošais atoms dala elektronu pāri, šī elektronu delokalizācija izskaidro daudzus no metālu raksturīgās īpašības, piemēram, tā augstā elektriskā un siltumvadītspēja.
Metāliskās saites bieži veido tīklus, kas tiek uzskatīti par kristālisksŠiem metāla joniem ir augsts koordinācijas skaitlis. Tas nozīmē, ka katru metāla jonu režģī ieskauj daudzi citi joni, kas atrodas ļoti sakārtotās un atkārtotās pozīcijās, kā rezultātā veidojas ļoti kompaktas struktūras.
Šo tīklu virsmās var novērot trīs dažādu veidu metāliskus kristāla režģus, kuriem ir dažādi koordinācijas punkti, kas mainās atkarībā no to atrašanās vietas, galu galā iegūstot 12 punkti, 8 punkti un citos gadījumos 6 punktiTomēr tiek teikts, ka līmenis metālu atomu valence Tas vienmēr ir relatīvi mazs, kas atvieglo šo valences elektronu delokalizāciju.
Pateicoties šai unikālajai struktūrai, metāliskās saites izskaidro, kāpēc metāli:
- Sean labi vadītāji elektrības, jo elektronu mākonis viegli pārvietojas, kad tiek pielikta potenciālu starpība.
- Ir augsts Siltumvadītspējaļaujot siltumam ātri izplatīties.
- Sean kaļams un elastīgs (var laminēt vai ievilkt stieplēs), jo metāla joni var slīdēt viens pār otru, nesalūstot kristālam, pateicoties tam, ka elektronu mākonis turpina saglabāt kohēziju.
- Dāvana metālisks spīdumsjo delokalizētie elektroni mijedarbojas ar gaismu raksturīgā veidā.
Šo iemeslu dēļ metāliskās saites ir daudzu tehnoloģisku pielietojumu pamatā, sākot no kabeļu vadīšanas līdz ēku konstrukcijām un elektroniskām sastāvdaļām.
Jonu saites
Kad mēs runājam par jonu saites Tas attiecas uz saiti starp atomiem, kuriem ir zema jonizācijas enerģija vai zema elektronegativitāte (piemēram, metāliem), un citiem, kuriem ir daudz augstāka elektronegativitāte (piemēram, nemetāliem). Parasti tas notiek starp metāls un nemetāls.
Lai tas notiktu, vienam no atomiem ir jāspēj zaudēt elektronusun ka otrs var vinnē viņus secīgi. Metāls atdod vienu vai vairākus elektronus un kļūst par pozitīvu jonu (katjons), savukārt nemetāls tos uztver un kļūst par negatīvu jonu (anjonsTāpēc šo saiti var raksturot kā procesu, kurā diviem atomiem ir elektrostatiskā pievilkšanās ļoti intensīva, kurā viens piedalās ar lielāku tieksmi piesaistīt elektronus, bet otrs ar mazāku tieksmi.
Tika pierādīts, ka daudziem nemetāliskiem elementiem valences apvalkā trūkst viena vai vairāku elektronu, lai tie varētu darboties. pilnīga ārējā orbītaUn tieši šī iemesla dēļ tie procesā kļūst par receptoriem un tiek saukti par anjoniem. Piemēram, hloram ir nepieciešams viens elektrons, lai pabeigtu savu oktetu un izveidotu jonu. Cl⁻.
Metāliskie elementi ir pazīstami kā katjoni jo tiem ir pozitīvs lādiņš, kas ir pretējs anjoniem. Tā kā to ārējā apvalkā parasti ir maz elektronu, tiem ir "viegli" tos zaudēt un sasniegt stabilāku konfigurāciju. Tipisks piemērs ir nātrijs, kas zaudē elektronu un veido jonu. Na⁺kas var saistīties ar Cl⁻, veidojot nātrija hlorīds (parastā sāls).
Pamatojoties uz aprakstīto, var secināt, ka šāda veida ķīmiskajā saitē atomus pievelk intensīvs elektrostatiskais spēksUn tāpēc anjons pievelk katjonu. Tieši šajā brīdī var novērot, kā viens no atomiem zaudē elektronus, bet otrs tos iegūst. Šī pilnīgā elektronu pārnešana padara jonu saiti ļoti spēcīgu un liek joniem organizēties lielos klasteros. kristāla režģi trīsdimensiju.
Kad šis savienojums tiek uzglabāts sólidoTas saglabājas organizēts ļoti sakārtotā un stabilā struktūrā. Tomēr, pakļaujot to mitrai videi vai izšķīdinot polāros šķidrumos, piemēram... ŪdensKristāla režģis sadalās un joni atdalās, bet saglabā savus elektriskos lādiņus. Šī iemesla dēļ jonu savienojumu ūdens šķīdumi Tie vada elektrību, turpretī tīra cietviela parasti to nedara.
Jonu savienojumiem ir arī citas kopīgas īpašības:
- Su kušanas punkts un vārīšanās parasti ir augstu, pateicoties spēcīgajai pievilkšanās spēkam starp pretēji lādētiem joniem.
- Viņi mēdz būt trauslsJa tie deformējas, jonu slāņi nobīdās un viena lādiņa joni var nonākt saskarē, radot atgrūšanos un kristāla lūzumu.
- Tie viegli izšķīst iekšā polārie šķīdinātāji līdzīgi ūdenim, jo ūdens molekulas ieskauj un stabilizē jonus.
- Tie vada elektrisko strāvu, kad tie ir izšķīdis vai izkusisjo joni var brīvi pārvietoties.
Visas šīs detaļas padara jonu saites par fundamentālām daudzos ikdienas procesos, piemēram, minerālsāļu sastāvā, elektrolītos bioloģiskajos šķīdumos un keramikas materiālos.
Kovalentās saites
Jo kovalentās saites Atomiem piemīt spēja piesaistīt un dalīties ar elektroniem savā starpā. Tā vietā, lai viens atoms pilnībā atdotu savus elektronus otram, abi atomi pievieno vienu vai vairākus elektronus, veidojot kopīgus pārus. Ir pierādīts, ka, kad tas notiek, iesaistītie joni vai atomi iegūst elektroniskas konfigurācijas daudz stabilāka.
Lai gan var teikt, ka daudziem saišu veidiem ir iespēja būt elektrības vadītājiŠajā gadījumā izrādās, ka liela daļa vielu, kas veidojas ar kovalentām saitēm, nav vadošas, īpaši, ja tās atrodas cietā stāvoklī un neitrālu molekulu veidā. Tomēr pastāv ievērojami izņēmumi, piemēram, grafīts, kurā delokalizēti elektroni nodrošina zināmu vadītspēju.
Viss organiskais materiāls Tas galvenokārt sastāv no kovalentām saitēm, jo, kā minēts iepriekš, tās parasti nodrošina lielu stabilitāti un ļauj veidoties ļoti sarežģītām un daudzveidīgām struktūrām: ķēdēm, gredzeniem, trīsdimensiju tīkliem utt. Piemēram, ogleklis ir meistars vairāku kovalentu saišu un sazarotu struktūru veidošanā.
Šīm saitēm ir sava klasifikācija, kas mainās atkarībā no tā, vai elektronu koplietošana ir simetriska vai nē. Plašākā nozīmē mēs varam atšķirt polārās kovalentās saites un nepolārs, kas tiks īsi paskaidrots turpmāk, lai precizētu elektronu blīvuma sadalījuma atšķirību.
Papildus šai klasifikācijai var būt arī kovalentās saites vienkārši (kopīgs elektronu pāris), dubultā (divi koplietojami pāri) vai trīs reizes (trīs kopīgi pāri), kas ietekmē saites garumu un stiprumu: parasti daudzkārtēja kovalentā saite ir spēcīgāka īss un spēcīgs nekā vienkāršs.
Polārā kovalentā saite
Saites polārais kovalentais To galvenā iezīme ir tā, ka tie ir pilnīgi asimetrisks elektronu blīvuma sadalījumā. Tas nozīmē, ka saistītie atomi dala elektronus, bet ne vienādi: elektronblīvāks atoms dala elektronus. elektronegatīvs Viens elektrons spēcīgāk pievelk kopīgos elektronus un paliek ar nelielu daļēju negatīvu lādiņu, bet otrs paliek ar nelielu daļēju pozitīvu lādiņu.
Šo situāciju var vizualizēt tā, it kā vairāk elektronegatīvi lādētajiem atomiem būtu divi elektroni, ko dalīt, vai divas telpas, ko absorbēt, bet otram ir tikai viena, un gadījumi atšķiras. Lai gan kvantu realitātē tas ir smalkāk, pamatideja ir tāda, ka Dalīšanās nav godīga.
Šāda veida saite rodas līdzīgi jonu saitēm, jo pastāv arī atšķirības elektronegativitātē, bet ar galveno atšķirību, ka atomu saistīšanai notiek nevis pilnīga elektronu pārnešana, bet daļēja elektronu pārnešana. polārā kovalentā saite ar nevienlīdzīgi sadalītiem elektroniem. Lai tas notiktu, ir jābūt diviem dažādi nemetāliski elementi ar atšķirīgu elektronegativitāti.
Klasisks piemērs ir molekula ūdens (H₂O)Skābeklis ir daudz elektronegatīvāks nekā ūdeņradis, tāpēc tas spēcīgi pievelk koplietotos elektronus, radot elektriskais dipols molekulā: nedaudz negatīva zona pie skābekļa un divas nedaudz pozitīvas zonas pie ūdeņražiem.
Šīs polaritātes dēļ polārās kovalentās molekulas var mijiedarboties viena ar otru, izmantojot dipola-dipola spēki un dažos gadījumos veido ūdeņraža saites. Šī mijiedarbība piešķir tādām vielām kā ūdens unikālas īpašības, piemēram, augstu viršanas temperatūru attiecībā pret molekulmasu, augstu virsmas spraigumu un spēju izšķīdināt daudzas jonu un polāras vielas.
Nepolāra kovalentā saite
Atšķirībā no iepriekš aprakstītā ķīmiskās saites veida, šajā gadījumā ir jābūt diviem vai vairākiem viena atomiem tāda paša veida nemetāls vai elementiem ar ļoti līdzīgu elektronegativitāti. Tas pilnībā atšķiras no polārajiem vienā galvenajā aspektā: simetrijaKad divi viena elementa atomi dala elektronus, process ir pilnīgi simetrisks, tāpēc tie paliek līdzsvaroti un abi vienādi saņem un ziedo elektronus.
Pateicoties šim vienmērīgajam elektronu blīvuma sadalījumam, elektroni netiek ģenerēti. ievērojamas daļējas slodzes nevienā saites galā; tāpēc saite tiek saukta par nepolāru. Tipiski nepolāru kovalento saišu piemēri ir atrodami tādās molekulās kā H₂ (molekulārais ūdeņradis), O₂ (molekulārais skābeklis), N₂ (molekulārais slāpeklis) vai garās ogļūdeņražu ķēdēs, piemēram, daudzu eļļu ķēdēs.
Vielas, kas galvenokārt veidojas ar nepolārām kovalentām saitēm, parasti ir nedaudz šķīst ūdenī (kas ir polārs šķīdinātājs) un labāk šķīst nepolāros šķīdinātājos, piemēram, dažās eļļās un organiskajos šķīdinātājos. Turklāt istabas temperatūrā tie var būt gāzu vai šķidrumu veidā zema viršanas temperatūratieši tāpēc, ka pievilkšanās spēki starp tā molekulām ir relatīvi vāji.
Daudzos gadījumos vienai molekulai var būt reģioni ar polārām kovalentām saitēm, bet citiem - ar nepolārām saitēm. Tā rezultātā molekulām ir hidrofila (ūdeni piesaistoša) daļa un hidrofoba (ūdeni atgrūdoša) daļa, kā tas notiek... lipīdi šūnu membrānu. Šī dualitāte ir būtiska tādu bioloģisko struktūru kā lipīdu dubultslāņu veidošanai.
Ūdeņraža saites
El ūdeņradis To raksturo daļējs pozitīvs lādiņš, kad tas veido daļu no polāras kovalentās saites ar ļoti elektronegatīvu atomu, piemēram, skābekli, slāpekli vai fluoru. Lai šāda veida starpmolekulārā saite rastos, daļēji pozitīvajam ūdeņradim ir jāpievelk elektronegatīvs atoms ar brīvo elektronu pāri citā molekulā vai tās pašas molekulas citā daļā.
Pateicoties šim procesam, starp abiem veidojas savienība, ko sauc par ūdeņraža tiltsNo šejienes šī saite ieguvusi savu nosaukumu. Tā nav tik spēcīga kā kovalentā saite, bet daudz spēcīgāka nekā citas Van der Valsa mijiedarbības, un tai ir izšķiroša loma daudzu vielu struktūrā un īpašībās.
Ļoti reprezentatīvs piemērs ir ūdens. Katra ūdens molekula var veidot vairākas ūdeņraža saites ar blakus esošajām molekulām, radot plašu mijiedarbības tīkls Tas izskaidro tā augsto īpatnējo siltumu, augstās kušanas un viršanas temperatūras attiecībā pret molekulmasu, kā arī tā neparasto uzvedību – izplešanos sasalstot. Tas viss lielā mērā ir saistīts ar šo saišu klātbūtni.
Bioloģiskajās sistēmās ūdeņraža saites Tie ir tikpat svarīgi molekulu trīsdimensiju struktūras saglabāšanai kā proteīni un nukleīnskābes (DNS un RNS). Piemēram, DNS komplementārās slāpekļa bāzes ir savienotas kopā ar ūdeņraža saitēm, kas ļauj dubultspirālei stabilizēties un precīzi replicēties.
Saites uz Van der Valsu
Šāda veida mijiedarbībā, kas grupēta zem nosaukuma Van der Valsa spēki, var atrast divu savienību pastāvīgie dipoli, kā arī starp diviem inducētie dipoli vai iespēja saskarties ar saitēm starp pastāvīgu dipolu un inducētu dipolu. Vienīgais veids, kā tas var notikt, ir tad, ja pastāv molekulas ar zināmu lādiņu sadalījumu, pat ja tikai īslaicīgu.
Šie spēki sāk darboties, kad ir pievilcība vai atgrūšanās starp molekulām vai ja pastāv mijiedarbība starp joniem un neitrālām molekulām, kas var būt nedaudz polarizēta. Lai gan katra no šīm mijiedarbībām ir relatīvi vāja, kopā tās var kļūt ļoti svarīgas, īpaši, ja tās summējas lielās molekulās vai molekulārās cietvielās.
Van der Valsa spēki, piemēram, izskaidro, kāpēc cēlgāzesMolekulas, kas sastāv no izolētiem nepolāriem atomiem, var sašķidrināties un sacietēt zemā temperatūrā: lai gan tās neveido spēcīgas ķīmiskās saites, pastāv vāja pievilkšanās, ko izraisa īslaicīgas svārstības to elektronu sadalījumā, kas izraisa momentānus dipolus.
Viņi ir atbildīgi arī par tādām vielām kā eļļas vai vaski, kas galvenokārt veidojas no nepolārām ogļūdeņražu ķēdēm, uzrāda viskozitāti un paliek saistītas kopā, vai arī dažas bioloģiskās molekulas atpazīst un saliekas kopā kā puzles gabaliņi, pateicoties vairāku šāda veida vāju mijiedarbību smalkai saiknei.
Pateicoties pastāvīgajam pētījumam, kas Tas attiecas uz visu veidu ķīmiskajām saitēm Esošais ir tāds, ka mēs esam spējuši nedaudz labāk izprast, kā matērija darbojas un kā tā var pārveidoties par pilnīgi jaunu produktu vai atgriezties savā formā pēc mainīšanās elektronu apmaiņas vai pārdales darbībā, kā aprakstīts lielākajā daļā šo procesu.
Visas šīs zināšanas ir iegūtas, pateicoties tehnoloģiskajiem sasniegumiem, jo iepriekš par atomu eksistenci tika tikai spekulēts, un piemērs tam ir... atomu modeļi ierosinājuši lieli filozofiski domātāji. Lai gan tie nebija tik tālu no tā, kas zināms mūsdienās, šie procesi ir daudz labāk izprasti, izmantojot eksperimentus, spektroskopijas metodes, elektronmikroskopiju un datorsimulācijas rīkus.
Saprast ķīmisko saišu veidi, kas veido vielu Tas ir būtiski, lai izskaidrotu, kāpēc katrai vielai piemīt īpašas īpašības, kā veidojas jauni materiāli un kāds ir bioloģisko un tehnoloģisko procesu molekulārais pamats, kas uztur mūsu ikdienas dzīvi.