Szereg występujących substancji i związków zawdzięcza swoje właściwości wiązaniom chemicznym. Łączą one ze sobą atomy pierwiastków wchodzących w skład danej molekuły. Charakter powstającego wiązania decyduje także o trwałości połączenia.
Wiązania chemiczne
Wiązaniem chemicznym nazywa się takie oddziaływanie pomiędzy elektronami poszczególnych atomów pierwiastków, które prowadzi do trwałego ich połączenia. W konsekwencji powstaje związek chemiczny. Te same pierwiastki zazwyczaj charakteryzują się odmiennymi właściwościami w porównaniu do właściwości cząsteczki, którą tworzą.
Powstawanie związków chemicznych w wyniku tworzenia wiązań, jest spowodowane dążeniem pierwiastków do osiągnięcia jak najniższego stanu energetycznego. Stają się wtedy bierne chemicznie. Zatem atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliższego w układzie okresowym helowca (18 grupa). Mówi o tym reguła dubletu i oktetu. Reguła dubletu to dążenie atomów pierwiastków do posiadania dwóch elektronów walencyjnych na ostatniej powłoce. Analogicznie, w przypadku reguły oktetu, pierwiastki mają osiem elektronów walencyjnych.
Spełnienie reguły dubletu lub oktetu przez pierwiastki chemiczne, opiera się na utworzeniu jednego lub więcej wiązań chemicznych. Ilość wiązań, jaką jest w stanie utworzyć dany atom jest określana mianem wartościowości. Należy pamiętać, że ten sam pierwiastek może charakteryzować się różnymi wartościami wartościowości.
Aby w pełni scharakteryzować wiązanie chemiczne, często podaje się takie jego cechy jak energia, długość wiązania i różnica elektroujemności tworzących go pierwiastków.
Znaczenie elektroujemności w tworzeniu wiązań
Elektroujemnością określane jest zjawisko przyciągania elektronów przez atomy pierwiastków tworzących wiązanie chemiczne. Elektroujemność dotyczy bezpośrednio energii wiązania pomiędzy atomami. Sposób, w jaki pierwiastki chemiczne osiągają konfigurację elektronową najbliższego w układzie okresowego helowca, czyli w jaki sposób tworzą wiązania chemiczne, zależy bezpośrednio od wartości elektroujemności poszczególnych komponentów.
Poszczególne pierwiastki z różną siłą oddziaływają z elektronami innych atomów – zgodnie z ich uszeregowaniem w skali stworzonej przez Linusa Paulinga (skali Paulinga). Metale charakteryzują się małymi wartościami elektroujemności. W związku z tym, słabo przyciągają inne elektrony i chętnie oddają swoje. Nazywane są również pierwiastkami elektrododatnimi. Cez (lub sztucznie otrzymany frans) mają najmniejszą elektroujemność równą 0,7. Odmiennie zachowują się niemetale. Wśród nich fluor – najbardziej elektroujemny pierwiastek (4,0). Niemetale silnie przyciągają elektrony walencyjne atomów, z którymi chcą utworzyć wiązanie.
Rodzaje wiązań chemicznych
Wiązanie jonowe
Powstaje między atomami metali, a atomami niemetali, które znacznie różnią się wartościami elektroujemności w skali Paulinga. Wtedy następuje przyciąganie elektronów, przez bardziej elektroujemny pierwiastek i obsadzane są one na jego powłoce walencyjnej. W wyniku tego przyciągania ma on nadmiar elektronów, zatem staje się jonem ujemnym, czyli anionem. Analogicznie, atom, który oddał elektrony (elektrododatni) ma ich niedobór, więc staje się jonem dodatnim, czyli kationem. Przyjmuje się, że różnica elektroujemności powinna wynosić przynajmniej 1,7, aby utworzyć wiązanie jonowe. Powstałe jony (kation i anion) przyciągają się w wyniku elektrostatycznego przyciągania różnoimiennie naładowanych jonów. Należy pamiętać, że w rzeczywistości 100-procentowe wiązanie jonowe nie istnieje. Udział procentowy tego wiązania zależy od różnicy elektroujemności pomiędzy poszczególnymi atomami – im ta różnica jest większa, tym większy jest udział wiązania jonowego.
Wiązanie kowalencyjne (atomowe)
Występuje między atomami niemetali o niewielkiej różnicy wartości elektroujemności w skali Paulinga. Pierwiastki tworzące wiązanie “dzielą” się pomiędzy sobą elektronami walencyjnymi w taki sposób, aby każdy z nich osiągnął możliwie najniższy stan energetyczny. Powstała para elektronowa ulega uwspólnianiu. Znajduje się ona pomiędzy atomami w formie chmury elektronowej. Jeżeli występuje różnica elektroujemności pomiędzy pierwiastkami, to wiązanie kowalencyjne ulega spolaryzowaniu – wspólna para elektronowa zostaje przesunięta w kierunku pierwiastka o wyższej elektroujemności (silniej przyciągającego elektrony). Cząsteczka staje się wtedy dipolem, z biegunami dodatnim i ujemnym. Wiązanie, które powstaje pomiędzy tymi samymi atomami, nazywa się kowalencyjnym niespolaryzowanym. Para elektronowa nie zostaje przesunięta w żadną stronę, ponieważ różnica elektroujemności w skali Paulinga wynosi 0.
Wiązanie koordynacyjne
W tym rodzaju wiązania, jeden z atomów oddaje swoją parę elektronową – jest donorem. Akceptorem jest natomiast atom w cząsteczce lub jonie o niezapełnionej powłoce walencyjnej. Inna nazwa tego wiązania to donorowo – akceptorowe. W pewnym sensie wiązanie koordynacyjne jest podobne do wiązania kowalencyjnego. Ale w tym przypadku uwspólnianie elektronów następuje w wyniku oddania pary elektronowej tylko jednego z atomów.
Wiązanie metaliczne
Wiązanie metaliczne to szczególny rodzaj wiązania występujący w metalach i ich stopach. Kationy w metalach tworzą swoistą sieć krystaliczną. Są naładowane dodatnio. Na powłokach walencyjnych atomów metali krążą elektrony. Tworzą chmurę elektronową, swobodnie przemieszczając się pomiędzy kationami metali z sieci krystalicznej. Nazywane są elektronami zdelokalizowanymi. Jako, że posiadają ładunek ujemny, równoważą dodatnie kationy i dzięki temu metale są elektrycznie obojętne.
Oddziaływania międzycząsteczkowe
W przyrodzie występuje szereg związków, których atomy nie są połączone za pomocą wiązań chemicznych. Oddziaływają ze sobą w wyniku znacznie słabszych sił, krótkiego zasięgu – sił van der Waalsa oraz wiązań wodorowych.
Siły van der Waalsa
Są to oddziaływania krótkiego zasięgu, występujące między cząsteczkami niepolarnymi. Odgrywają one szczególną rolę, np. w makrocząsteczkach, takich jak polimery. Ponadto wpływają na stan skupienia wybranych elementów materii. Najpopularniejszym przykładem występowania wiązań van der Waalsa jest wkład grafitowy w ołówkach. W wyniku ruchu rysikiem po powierzchni kartki papieru, kolejne warstwy grafitu (nietrwałe ze sobą połączone) zostawiają ślad na powierzchni.
Wiązania wodorowe
Są około 10 razy słabsze w porównaniu do wiązań kowalencyjnych. Mogą występować w obrębie danej cząsteczki lub pomiędzy różnymi cząsteczkami. Tworzą się między atomami wodoru połączonymi z atomami elektroujemnych pierwiastków chemicznych, a atomami pierwiastków o dużej elektroujemności, które mają wolne pary elektronowe. Ten typ oddziaływania jest charakterystyczny dla grupy -OH, -SH i -NH2. Odgrywa kluczową rolę we wszelkiego rodzaju układach biologicznych. Prowadzi do asocjacji, czyli łączenia się w większe skupiska cząsteczek, przez co zmieniają się ich właściwości, np. temperatura wrzenia, gęstość lub rozpuszczalność.