Metalik je multicentrična veza koja postoji u metalima i njihovim legurama između pozitivno nabijenih jona i valentnih elektrona, koji su zajednički za sve jone i slobodno se kreću kroz kristal.
Imaju mali broj valentnih elektrona i nisku ionizaciju. Zbog velikih radijusa atoma metala, ovi elektroni su prilično slabo vezani za svoje jezgre i lako se mogu odvojiti od njih i postati zajednički za cijeli metalni kristal. Kao rezultat toga, pozitivno nabijeni metalni ioni i elektronski plin pojavljuju se u kristalnoj rešetki metala - skup mobilnih elektrona koji se slobodno kreću kroz metalni kristal.
Kao rezultat, metal se sastoji od niza pozitivnih jona lokaliziranih na određenim pozicijama i velikog broja elektrona koji se relativno slobodno kreću u polju pozitivnih centara. Prostorna struktura metala je kristal, koji se može zamisliti kao ćelija s pozitivno nabijenim ionima u čvorovima, uronjena u negativno nabijeni elektronski plin. Svi atomi daju svoje valentne elektrone da bi formirali elektronski gas, oni se slobodno kreću unutar kristala bez prekidanja hemijske veze.
Teoriju slobodnog kretanja elektrona u kristalnoj rešetki metala eksperimentalno je potvrdio eksperiment Tolmana i Stewarta (1916.): naglim kočenjem prethodno odvrnute zavojnice s namotanom žicom, slobodni elektroni su nastavili da se kreću neko vrijeme. po inerciji, a u to vrijeme ampermetar spojen na zavojnice kola, bilježi puls električne struje.
Raznolikost modela metalnih veza
Znakovi metalne veze su sljedeće karakteristike:
- Višeelektronskost, budući da svi valentni elektroni učestvuju u formiranju metalne veze;
- Multicentričnost ili delokalizacija - veza istovremeno povezuje veliki broj atoma sadržanih u metalnom kristalu;
- Izotropija ili neusmjerenost - zbog nesmetanog kretanja elektronskog plina u svim smjerovima istovremeno, metalna veza je sferno simetrična.
Metalni kristali formiraju uglavnom tri vrste kristalnih rešetki, ali neki metali mogu imati različite strukture u zavisnosti od temperature.
Kristalne rešetke metala: a) kubične sa centriranjem lica (Cu, Au, Ag, Al); b) kubično centrirano (Li, Na, Ba, Mo, W, V); c) heksagonalni (Mg, Zn, Ti, Cd, Cr) Metalne veze postoje u kristalima i talinama svih metala i legura. U svom čistom obliku karakterističan je za alkalne i zemnoalkalne metale. Kod prijelaznih d-metala, veza između atoma je djelomično kovalentna.
Hemijska veza
Sve interakcije koje dovode do spajanja hemijskih čestica (atoma, molekula, jona, itd.) u supstance se dele na hemijske veze i međumolekularne veze (međumolekularne interakcije).
Hemijske veze- veze direktno između atoma. Postoje jonske, kovalentne i metalne veze.
Intermolekularne veze- veze između molekula. To su vodikove veze, ion-dipol veze (zbog stvaranja ove veze, na primjer, dolazi do stvaranja hidratacijske ljuske iona), dipol-dipol (zbog stvaranja ove veze spajaju se molekuli polarnih tvari na primjer, u tekućem acetonu) itd.
Jonska veza- hemijska veza nastala zbog elektrostatičke privlačnosti suprotno nabijenih jona. U binarnim jedinjenjima (spojevima dva elementa) nastaje kada se veličine povezanih atoma uvelike razlikuju jedna od druge: neki atomi su veliki, drugi su mali – to jest, neki atomi lako odustaju od elektrona, dok drugi teže prihvatiti njih (obično su to atomi elemenata koji formiraju tipične metale i atomi elemenata koji formiraju tipične nemetale); elektronegativnost takvih atoma je također vrlo različita.
Jonska veza je neusmjerena i nezasićena.
Kovalentna veza- hemijska veza koja nastaje zbog formiranja zajedničkog para elektrona. Kovalentna veza nastaje između malih atoma istog ili sličnog polumjera. Neophodan uslov je prisustvo nesparenih elektrona u oba vezana atoma (mehanizam razmene) ili usamljeni par u jednom atomu i slobodna orbitala u drugom (mehanizam donor-akceptor):
| A) | H· + ·H H:H | H-H | H 2 | (jedan zajednički par elektrona; H je monovalentan); |
| b) | NN | N 2 | (tri zajednička para elektrona; N je trovalentan); | |
| V) | H-F | HF | (jedan zajednički par elektrona; H i F su jednovalentni); | |
| G) | NH4+ | (četiri zajednička para elektrona; N je četverovalentan) |
- Na osnovu broja zajedničkih elektronskih parova, kovalentne veze se dijele na
- jednostavno (single)- jedan par elektrona,
- duplo- dva para elektrona,
- trostruki- tri para elektrona.
Dvostruke i trostruke veze nazivaju se višestrukim vezama.
Prema raspodjeli elektronske gustine između povezanih atoma, kovalentna veza se dijeli na nepolarni I polar. Nepolarna veza nastaje između identičnih atoma, polarna - između različitih.
Elektronegativnost- mjera sposobnosti atoma u tvari da privuče uobičajene elektronske parove.
Elektronski parovi polarnih veza su pomaknuti prema elektronegativnijim elementima. Sam pomak elektronskih parova naziva se polarizacija veze. Djelomični (višak) naboja koji nastaju tokom polarizacije označeni su + i -, na primjer: .
Na osnovu prirode preklapanja elektronskih oblaka ("orbitala"), kovalentna veza se dijeli na -vezu i -vezu.
-Veza nastaje usled direktnog preklapanja elektronskih oblaka (duž prave linije koja spaja atomska jezgra), -veza nastaje usled bočnog preklapanja (sa obe strane ravni u kojoj leže atomska jezgra).
Kovalentna veza je usmjerena i zasićena, kao i polarizabilna.
Hibridizacijski model se koristi za objašnjenje i predviđanje međusobnog smjera kovalentnih veza.
Hibridizacija atomskih orbitala i elektronskih oblaka- pretpostavljeno poravnanje atomskih orbitala u energiji, i elektronskih oblaka u obliku kada atom formira kovalentne veze.
Tri najčešće vrste hibridizacije su: sp-, sp 2 i sp 3 -hibridizacija. na primjer:
sp-hibridizacija - u molekulima C 2 H 2, BeH 2, CO 2 (linearna struktura);
sp 2-hibridizacija - u molekulima C 2 H 4, C 6 H 6, BF 3 (ravni trouglasti oblik);
sp 3-hibridizacija - u molekulima CCl 4, SiH 4, CH 4 (tetraedarski oblik); NH 3 (piramidalni oblik); H 2 O (ugaoni oblik).
Metalni priključak- hemijska veza nastala deljenjem valentnih elektrona svih vezanih atoma metalnog kristala. Kao rezultat, formira se jedan elektronski oblak kristala, koji se lako kreće pod utjecajem električnog napona - otuda i visoka električna provodljivost metala.
Metalna veza nastaje kada su atomi koji se vezuju veliki i stoga imaju tendenciju da odustanu od elektrona. Jednostavne supstance sa metalnom vezom su metali (Na, Ba, Al, Cu, Au itd.), složene supstance su intermetalna jedinjenja (AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8 itd.).
Metalna veza nema usmjerenost ili zasićenost. Takođe se čuva u metalnim topljenjima.
Vodikova veza- međumolekularna veza nastala zbog djelomičnog prihvatanja para elektrona iz visoko elektronegativnog atoma od strane atoma vodika s velikim pozitivnim djelomičnim nabojem. Nastaje u slučajevima kada jedna molekula sadrži atom sa usamljenim parom elektrona i visokom elektronegativnošću (F, O, N), a druga sadrži atom vodika vezan visokopolarnom vezom za jedan od takvih atoma. Primjeri međumolekularnih vodikovih veza:
H—O—H OH 2 , H—O—H NH 3 , H—O—H F—H, H—F H—F.
Intramolekularne vodikove veze postoje u molekulima polipeptida, nukleinskih kiselina, proteina itd.
Mjerilo snage bilo koje veze je energija veze.
Energija komunikacije- energija potrebna za prekid date hemijske veze u 1 molu supstance. Mjerna jedinica je 1 kJ/mol.
Energije jonske i kovalentne veze su istog reda, energija vodikovih veza je za red veličine niža.
Energija kovalentne veze zavisi od veličine vezanih atoma (dužine veze) i od višestrukosti veze. Što su atomi manji i što je višestrukost veze veća, to je veća njena energija.
Energija jonske veze zavisi od veličine jona i njihovog naboja. Što su joni manji i što je njihov naboj veći, to je veća energija vezivanja.
Struktura materije
Prema vrsti strukture, sve tvari se dijele na molekularni I nemolekularni. Među organskim supstancama prevladavaju molekularne tvari, među neorganskim supstancama prevladavaju nemolekularne.
Na osnovu vrste hemijske veze, supstance se dele na supstance sa kovalentnom vezom, supstance sa jonskim vezama (jonske supstance) i supstance sa metalnim vezama (metali).
Supstance s kovalentnim vezama mogu biti molekularne i nemolekularne. To značajno utiče na njihova fizička svojstva.
Molekularne supstance se sastoje od molekula povezanih međusobno slabim intermolekularnim vezama, a to su: H 2, O 2, N 2, Cl 2, Br 2, S 8, P 4 i druge jednostavne supstance; CO 2, SO 2, N 2 O 5, H 2 O, HCl, HF, NH 3, CH 4, C 2 H 5 OH, organski polimeri i mnoge druge supstance. Ove tvari nemaju veliku čvrstoću, niske su točke topljenja i ključanja, ne provode struju, a neke od njih su topljive u vodi ili drugim otapalima.
Nemolekularne supstance sa kovalentnim vezama ili atomske supstance (dijamant, grafit, Si, SiO 2, SiC i druge) formiraju veoma jake kristale (sa izuzetkom slojevitog grafita), nerastvorljive su u vodi i drugim otapalima, imaju visoko topljenje i tačke ključanja, većina njih ne provode električnu struju (osim grafita, koji je električno provodljiv, i poluvodiča - silicijum, germanijum itd.)
Sve jonske supstance su prirodno nemolekularne. To su čvrste, vatrostalne tvari, čije otopine i taline provode električnu struju. Mnogi od njih su rastvorljivi u vodi. Treba napomenuti da u ionskim supstancama, čiji se kristali sastoje od kompleksnih jona, postoje i kovalentne veze, na primjer: (Na +) 2 (SO 4 2-), (K +) 3 (PO 4 3-) , (NH 4 + )(NO 3-) itd. Atomi koji čine kompleksne jone povezani su kovalentnim vezama.
Metali (tvari s metalnim vezama) veoma raznolike po svojim fizičkim svojstvima. Među njima su tečni (Hg), vrlo meki (Na, K) i veoma tvrdi metali (W, Nb).
Karakteristične fizičke osobine metala su njihova visoka električna provodljivost (za razliku od poluvodiča, ona opada sa povećanjem temperature), visok toplotni kapacitet i duktilnost (za čiste metale).
U čvrstom stanju, gotovo sve supstance su sastavljene od kristala. Na osnovu vrste strukture i tipa hemijske veze, kristali („kristalne rešetke“) se dele na atomski(kristali nemolekularnih supstanci sa kovalentnim vezama), jonski(kristali jonskih supstanci), molekularni(kristali molekularnih supstanci sa kovalentnim vezama) i metal(kristali supstanci sa metalnom vezom).
Zadaci i testovi na temu „Tema 10. „Hemijsko vezivanje. Struktura materije."
- Vrste hemijskih veza - Struktura materije 8–9
Lekcije: 2 Zadaci: 9 Testovi: 1
- Zadaci: 9 Testovi: 1
Nakon rada na ovoj temi, trebali biste razumjeti sljedeće koncepte: hemijska veza, intermolekularna veza, ionska veza, kovalentna veza, metalna veza, vodikova veza, prosta veza, dvostruka veza, trostruka veza, višestruke veze, nepolarna veza, polarna veza , elektronegativnost, polarizacija veze, - i -veza, hibridizacija atomskih orbitala, energija vezivanja.
Morate znati klasifikaciju tvari prema vrsti strukture, vrsti kemijske veze, ovisnosti svojstava jednostavnih i složenih tvari o vrsti kemijske veze i vrsti „kristalne rešetke“.
Morate biti u stanju da: odredite vrstu hemijske veze u supstanci, vrstu hibridizacije, sastavite dijagrame formiranja veze, koristite koncept elektronegativnosti, broj elektronegativnosti; znati kako se mijenja elektronegativnost u hemijskim elementima istog perioda i jedne grupe da bi se odredio polaritet kovalentne veze.
Nakon što se uvjerite da ste naučili sve što vam je potrebno, nastavite s izvršavanjem zadataka. Želimo vam uspjeh.
Preporučeno čitanje:
- O. S. Gabrielyan, G. G. Lysova. Hemija 11. razred. M., Drfa, 2002.
- G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Hemija 11. razred. M., Obrazovanje, 2001.
Klasifikacija materijala
Trenutno su svi savremeni materijali klasifikovani prema tome.
Najvažnije u tehnologiji su klasifikacije prema funkcionalno i strukturno karakteristike materijala.
Glavni kriterij za klasifikaciju materijala prema strukturnim karakteristikama je agregatno stanje, u zavisnosti od čega se dele na sledeće vrste: čvrsti materijali, tečnosti, gasovi, plazma.
Čvrsti materijali se, pak, dijele na kristalne i nekristalne.
Kristalni materijali se mogu podijeliti prema vrsti veze između čestica: atomski (kovalentni), jonski, metalni, molekularni (slika 2.1.).
Vrste veza između atoma (molekula) u kristalima
Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona (negativno nabijenih) koji se kreću oko njega. Atom u stacionarnom stanju je električno neutralan. Postoje eksterni (valentni) elektroni, čija je veza sa jezgrom beznačajna, i unutrašnji elektroni, koji su čvrsto povezani sa jezgrom.
Formiranje kristalne rešetke odvija se na sljedeći način. Tokom prijelaza iz tekućeg u kristalno stanje, udaljenost između atoma se smanjuje, a sile interakcije između njih se povećavaju.
Veza između atoma se vrši elektrostatičkim silama, tj. Po prirodi, veza je ista - električna je po prirodi, ali se različito manifestira u različitim kristalima. Razlikuju se sljedeće vrste veza: ionske, kovalentne, polarne, metalne.
Tip kovalentne veze
Kovalentna veza nastaje zbog zajedničkih elektronskih parova koji se pojavljuju u ljusci povezanih atoma.
Mogla bi biti formiran od atoma istog elementa i tada je nepolaran; na primjer, takva kovalentna veza postoji u molekulima jednoelementnih plinova H 2, O 2, N 2, Cl 2 itd.
Kovalentna veza može biti formirana od atoma različitih elemenata, sličnih po hemijskom karakteru, i tada je polarna; na primjer, takva kovalentna veza postoji u molekulima H 2 O, NF 3, CO 2.
Kovalentna veza se formira između atoma elemenata koji su po prirodi elektronegativni.
Sa ovom vrstom veze dijele se slobodni valentni elektroni susjednih atoma. U nastojanju da steknu stabilnu valentnu ljusku koja se sastoji od 8 elektrona, atomi se spajaju u molekule, formirajući jedan ili više parova elektrona, koji postaju zajednički za spojne atome, tj. istovremeno čine dio elektronskih omotača dva atoma.
Materijali sa kovalentnom vezom su vrlo krti, ali imaju veliku tvrdoću (dijamant). To su, po pravilu, dielektrici ili poluprovodnici (germanijum, silicijum) jer Električni naboji su međusobno povezani, a slobodnih elektrona nema.
Atomi u molekulima jednostavnih gasova (H 2, Cl 2 itd.) povezani su kovalentnim vezama.
Jedina supstanca poznata čovjeku s primjerom kovalentne veze između metala i ugljika je cijanokobalamin, poznat kao vitamin B12.
jonski vezani kristali (NaCl)
Jonska veza je hemijska veza obrazovan zbog elektrostatičko privlačenje između kationa I anjoni.
Formiranje takvih kristala nastaje prelaskom elektrona atoma jedne vrste u atome druge vrste iz Na u Cl. Atom koji izgubi elektron postaje pozitivno nabijen ion, dok atom koji dobije elektron postaje negativni ion. Konvergencija jona različitih predznaka događa se sve dok odbojne sile jezgra i elektronske ljuske ne uravnoteže sile privlačenja. Većina mineralnih dielektrika i neki organski materijali imaju jonske veze (NaCl, CsCl, CaF2.)
Čvrste tvari s ionskim vezama su u većini slučajeva mehanički jake i otporne na temperaturu, ali često krte. Materijali sa ovom vrstom veze ne koriste se kao konstrukcijski materijali.
Metalni tip priključka
U metalima, veza između pojedinačnih atoma nastaje zbog interakcije pozitivno nabijenih jezgara i kolektiviziranih elektrona, koji se slobodno kreću u međuatomskim prostorima. Ovi elektroni djeluju kao cement, držeći pozitivne ione zajedno; inače bi se rešetka raspala pod uticajem odbojnih sila između jona. U isto vrijeme, joni drže elektrone unutar kristalne rešetke i ne mogu je napustiti. Ova veza se zove metalna.
Prisustvo slobodnih elektrona dovodi do visoke električne i toplotne provodljivosti metala, a ujedno je i razlog za sjaj metala. Savitljivost metala se objašnjava kretanjem i klizanjem pojedinih slojeva atoma.
U gotovo svakom materijalu ne postoji jedna, već nekoliko vrsta veza. Svojstva materijala određuju preovlađujući tipovi hemijskih veza atoma i molekula supstance materijala.
Od atomsko-kristalnih materijala čijom strukturom dominiraju kovalentne veze, polimorfne modifikacije ugljeničnih i poluprovodničkih materijala zasnovane na elementima IV grupe periodnog sistema su od najvećeg značaja u tehnici. Tipični predstavnici prvih su dijamant i grafit - najčešća i stabilna modifikacija ugljika sa slojevitom strukturom u zemljinoj kori. Poluprovodnički kristalni germanijum i silicijum su glavni materijali poluprovodničke elektronike.
Od velikog interesa su neka jedinjenja sa kovalentnim vezama, kao što su Fe 3 C, SiO, AlN - ova jedinjenja igraju važnu ulogu u tehničkim legurama.
U ogromnu totalitet jonski kristal materijali koji imaju kristalnu strukturu sa jonskim tipom veze uključuju okside metala (spojine metala sa kiseonikom), koji su sastavni deo najvažnijih ruda, tehnološke dodatke za topljenje metala, kao i hemijske spojeve metala i nemetala ( bor, ugljenik, azot), koji se koriste kao komponente legure.
Metalni tip veze karakterističan je za više od 80 elemenata periodnog sistema.
TO kristalne čvrste materije mogu se uključiti i materijali sa strukturom molekularni kristali, što je karakteristično za mnoge polimerne materijale čiji se molekuli sastoje od velikog broja ponavljajućih jedinica. To su biopolimeri - visokomolekularna prirodna jedinjenja i njihovi derivati (uključujući drvo); sintetički polimeri dobiveni od jednostavnih organskih spojeva, čije molekule imaju neorganske glavne lance i ne sadrže organske bočne grupe. Neorganski polimeri uključuju silikate i veziva. Prirodni silikati su klasa najvažnijih minerala za stvaranje stijena, koji čine oko 80% mase zemljine kore. Neorganski vezivni materijali uključuju cement, gips, kreč, itd. Molekularni kristali inertnih gasova - elementi grupe VIII periodnog sistema - isparavaju na niskim temperaturama bez prelaska u tečno stanje. Primenu nalaze u krioelektronici, koja se bavi stvaranjem elektronskih uređaja zasnovanih na pojavama koje se javljaju u čvrstim materijama na kriogenim temperaturama.
Rice. 1.2. Raspored atoma u kristalnoj (a) i amorfnoj (b) materiji
Druga klasa materijala se sastoji nekristalnih čvrstih materijala. Na osnovu reda i stabilnosti strukture dijele se na amorfne, staklaste i nestaklaste u poluporemećenom stanju.
Tipični predstavnici amorfnih materijala su amorfni poluvodiči, amorfni metali i legure.
Za grupu staklast materijali uključuju: niz organskih polimera (polimetilakrilat na temperaturama ispod 105°C, polivinil hlorid - ispod 82°C i drugi); mnogi neorganski materijali - anorgansko staklo na bazi oksida silicija, bora, aluminijuma, fosfora itd.; mnogi materijali za livenje kamena - bazalti i dijabazi staklaste strukture, metalurške troske, prirodni karbonati ostrvske i lančane strukture (dolomit, lapor, mermer itd.).
U nestaklenom, poluporemećenom stanju su želei (strukturirani sistemi polimer-otapalo nastali tokom skrućivanja polimernih rastvora ili bubrenja čvrstih polimera), mnogi sintetički polimeri u visokoelastičnom stanju, gume, većina materijala na bazi biopolimera , uključujući tekstilne i kožne materijale, kao i organske vezivne materijale - bitumen, katran, smole itd.
Po funkcionalnoj namjeni tehnički materijali su podijeljeni u sljedeće grupe.
Građevinski materijali - čvrsti materijali namijenjeni za proizvodnju proizvoda koji su podložni mehaničkom naprezanju. Moraju imati skup mehaničkih svojstava koja osiguravaju potrebne performanse i vijek trajanja proizvoda kada su izloženi radnom okruženju, temperaturi i drugim faktorima.
Rice. 1.1. Klasifikacija čvrstih kristalnih materijala prema strukturnim karakteristikama
Istovremeno, oni su podložni tehnološkim zahtjevima koji određuju najmanje radno intenzivnu proizvodnju dijelova i konstrukcija, te ekonomskim u pogledu cijene i dostupnosti materijala, što je vrlo važno u uvjetima masovne proizvodnje. Strukturni materijali uključuju metale, silikate i keramiku, polimere, gumu, drvo i mnoge kompozitne materijale.
Električni materijali odlikuju se posebnim električnim i magnetskim svojstvima i namijenjeni su za proizvodnju proizvoda koji se koriste za proizvodnju, prijenos, konverziju i potrošnju električne energije. To uključuje magnetne materijale, provodnike, poluvodiče, kao i dielektrike u čvrstoj tečnoj i gasovitoj fazi.
Tribotehnički materijali namijenjeni su za upotrebu u jedinicama za trenje kako bi se regulirali parametri trenja i habanja kako bi se osigurale specificirane performanse i vijek trajanja ovih jedinica. Glavne vrste takvih materijala su mazivi, antifrikcioni i frikcioni materijali. Prvi uključuju maziva u čvrstoj (grafit, talk, molibden disulfid, itd.), tečnoj (ulja za podmazivanje) i gasovitim fazama (vazduh, pare ugljovodonika i drugi gasovi). babbit, bronza i dr.), sivi liv, plastika (tekstolit, materijali na bazi fluoroplasta i dr.), metalokeramički kompozitni materijali (bronza-grafit, gvožđe-grafit itd.), neke vrste drveta i drvo- laminirana plastika, guma, mnogi kompoziti imaju visok koeficijent trenja i visoku otpornost na habanje. To uključuje neke vrste plastike, lijevanog željeza, kermeta i drugih kompozitnih materijala.
Materijali za alat Odlikuju se visokim nivoom tvrdoće, otpornosti na habanje i čvrstoće, namijenjeni su za izradu reznih, mjernih, vodovodnih i drugih alata. To uključuje materijale kao što su alatni čelik i tvrde legure, dijamant i neke vrste keramičkih materijala, te mnoge kompozitne materijale.
Radni fluidi - gasoviti i tečni materijali uz pomoć kojih se energija pretvara u mehanički rad, hladnoću i toplotu. Radni fluidi su vodena para u parnim mašinama i turbinama; amonijak, ugljični dioksid, freon i druga rashladna sredstva u rashladnim mašinama; hidraulična ulja; zrak u zračnim motorima; gasoviti produkti sagorevanja organskog goriva u gasnim turbinama i motorima sa unutrašnjim sagorevanjem.
Gorivo - zapaljivi materijali, čiji je glavni dio ugljik, koji se koriste za proizvodnju toplinske energije pri sagorijevanju. Goriva se prema porijeklu dijele na prirodna (nafta, ugalj, prirodni plin, uljni škriljci, treset, drvo) i umjetna (koks, motorna goriva, generatorski plinovi itd.); prema vrsti mašine u kojoj se spaljuje - raketni, motorni, nuklearni, turbinski itd.
163120 0
Svaki atom ima određeni broj elektrona.
Prilikom ulaska u kemijske reakcije, atomi doniraju, dobivaju ili dijele elektrone, postižući najstabilniju elektronsku konfiguraciju. Konfiguracija s najnižom energijom (kao kod atoma plemenitog plina) ispada najstabilnijom. Ovaj obrazac se naziva „pravilo okteta“ (slika 1).
Rice. 1.
Ovo pravilo važi za sve vrste veza. Elektronske veze između atoma omogućavaju im da formiraju stabilne strukture, od najjednostavnijih kristala do složenih biomolekula koji na kraju formiraju žive sisteme. Od kristala se razlikuju po kontinuiranom metabolizmu. Istovremeno, mnoge hemijske reakcije se odvijaju prema mehanizmima elektronski transfer, koji igraju ključnu ulogu u energetskim procesima u tijelu.
Hemijska veza je sila koja drži zajedno dva ili više atoma, jona, molekula ili bilo koju njihovu kombinaciju.
Priroda kemijske veze je univerzalna: to je elektrostatička sila privlačenja između negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih jezgri, određena konfiguracijom elektrona vanjske ljuske atoma. Sposobnost atoma da formira hemijske veze naziva se valence, ili oksidacijskom stanju. Koncept od valentnih elektrona- elektroni koji formiraju hemijske veze, odnosno nalaze se u orbitalama najviše energije. Prema tome, vanjski omotač atoma koji sadrži ove orbitale naziva se valentna ljuska. Trenutno nije dovoljno ukazati na prisustvo hemijske veze, već je potrebno razjasniti njen tip: jonska, kovalentna, dipol-dipolna, metalna.
Prva vrsta veze jejonski vezu
Prema Luisovoj i Kosselovoj elektronskoj valentnoj teoriji, atomi mogu postići stabilnu elektronsku konfiguraciju na dva načina: prvo, gubitkom elektrona, postajući katjoni, drugo, njihovo sticanje, pretvaranje u anjoni. Kao rezultat prijenosa elektrona, zbog elektrostatičke sile privlačenja između jona sa nabojima suprotnih predznaka, formira se hemijska veza, nazvana Kosselom “ elektrovalentan"(sada se zove jonski).
U ovom slučaju, anioni i kationi formiraju stabilnu elektronsku konfiguraciju s ispunjenom vanjskom elektronskom ljuskom. Tipične ionske veze formiraju se od katjona T i II grupa periodnog sistema i anjona nemetalnih elemenata grupa VI i VII (16 i 17 podgrupa, respektivno, halkogeni I halogeni). Veze jonskih spojeva su nezasićene i neusmjerene, pa zadržavaju mogućnost elektrostatičke interakcije s drugim ionima. Na sl. Na slikama 2 i 3 prikazani su primjeri ionskih veza koje odgovaraju Kosselovom modelu prijenosa elektrona.
Rice. 2.
Rice. 3. Jonska veza u molekulu kuhinjske soli (NaCl)
Ovdje je prikladno prisjetiti se nekih svojstava koja objašnjavaju ponašanje tvari u prirodi, posebno razmotriti ideju kiseline I razlozi.
Vodene otopine svih ovih tvari su elektroliti. Različito mijenjaju boju indikatori. Mehanizam djelovanja indikatora otkrio je F.V. Ostwald. Pokazao je da su indikatori slabe kiseline ili baze, čija se boja razlikuje u nedisocijacijskom i disociranom stanju.
Baze mogu neutralizirati kiseline. Nisu sve baze rastvorljive u vodi (na primer, neka organska jedinjenja koja ne sadrže OH grupe su nerastvorljiva, posebno, trietilamin N(C 2 H 5) 3); rastvorljive baze se nazivaju alkalije.
Vodene otopine kiselina prolaze kroz karakteristične reakcije:
a) sa oksidima metala - sa stvaranjem soli i vode;
b) sa metalima - sa stvaranjem soli i vodonika;
c) sa karbonatima - sa stvaranjem soli, CO 2 i N 2 O.
Svojstva kiselina i baza opisuje nekoliko teorija. U skladu sa teorijom S.A. Arrhenius, kiselina je supstanca koja se disocira i formira jone N+ , dok baza formira jone HE- . Ova teorija ne uzima u obzir postojanje organskih baza koje nemaju hidroksilne grupe.
U skladu sa proton Prema teoriji Brønsteda i Lowryja, kiselina je supstanca koja sadrži molekule ili ione koji doniraju protone ( donatori protoni), a baza je supstanca koja se sastoji od molekula ili jona koji prihvataju protone ( akceptori protoni). Imajte na umu da u vodenim otopinama ioni vodika postoje u hidratiziranom obliku, odnosno u obliku hidronijevih iona H3O+ . Ova teorija opisuje reakcije ne samo s vodom i hidroksidnim ionima, već i one koje se izvode u odsustvu rastvarača ili s nevodenim otapalom.
Na primjer, u reakciji između amonijaka N.H. 3 (slaba baza) i hlorovodonika u gasnoj fazi nastaje čvrst amonijum hlorid, a u ravnotežnoj smeši dve supstance uvek se nalaze 4 čestice od kojih su dve kiseline, a druge dve baze:
Ova ravnotežna smjesa se sastoji od dva konjugirana para kiselina i baza:
1)N.H. 4+ i N.H. 3
2) HCl I Cl ‑
Ovdje se u svakom konjugiranom paru kiselina i baza razlikuju za jedan proton. Svaka kiselina ima konjugovanu bazu. Jaka kiselina ima slabu konjugiranu bazu, a slaba kiselina ima jaku konjugiranu bazu.
Teorija Brønsted-Lowryja objašnjava jedinstvenu ulogu vode za život biosfere. Voda, ovisno o tvari koja s njom stupa u interakciju, može pokazati svojstva kiseline ili baze. Na primjer, u reakcijama s vodenim otopinama octene kiseline, voda je baza, a u reakcijama s vodenim otopinama amonijaka kiselina.
1) CH 3 COOH + H2O ↔ H3O + + CH 3 COO- . Ovdje molekul sirćetne kiseline donira proton molekulu vode;
2) NH 3 + H2O ↔ NH 4 + + HE- . Ovdje molekul amonijaka prihvata proton od molekula vode.
Dakle, voda može formirati dva konjugirana para:
1) H2O(kiselina) i HE- (konjugirana osnova)
2) H 3 O+ (kiselina) i H2O(konjugirana baza).
U prvom slučaju voda donira proton, au drugom ga prihvata.
Ovo svojstvo se zove amfiprotonizam. Supstance koje mogu reagovati i kao kiseline i baze nazivaju se amfoterično. Takve tvari se često nalaze u živoj prirodi. Na primjer, aminokiseline mogu formirati soli i sa kiselinama i sa bazama. Stoga, peptidi lako formiraju koordinaciona jedinjenja sa prisutnim metalnim jonima.
Dakle, karakteristično svojstvo jonske veze je potpuno kretanje veznih elektrona do jednog od jezgara. To znači da između jona postoji oblast u kojoj je gustina elektrona skoro nula.
Druga vrsta veze jekovalentna vezu
Atomi mogu formirati stabilne elektronske konfiguracije dijeljenjem elektrona.
Takva veza nastaje kada se par elektrona dijeli jedan po jedan od svih atom. U ovom slučaju, elektroni zajedničke veze ravnomjerno su raspoređeni između atoma. Primjeri kovalentnih veza uključuju homonuklearni dijatomski molekuli H 2 , N 2 , F 2. Ista vrsta veze nalazi se u alotropima O 2 i ozon O 3 i za poliatomsku molekulu S 8 i takođe heteronuklearne molekule hlorovodonik HCl, ugljični dioksid CO 2, metan CH 4, etanol WITH 2 N 5 HE, sumpor heksafluorid SF 6, acetilen WITH 2 N 2. Svi ovi molekuli dijele iste elektrone, a njihove veze su zasićene i usmjerene na isti način (slika 4).
Za biologe je važno da dvostruke i trostruke veze imaju smanjene kovalentne atomske radijuse u odnosu na jednostruku vezu.
Rice. 4. Kovalentna veza u Cl 2 molekulu.
Jonske i kovalentne vrste veza su dva ekstremna slučaja mnogih postojećih tipova hemijskih veza, a u praksi je većina veza srednja.
Jedinjenja dva elementa koja se nalaze na suprotnim krajevima istog ili različitih perioda periodnog sistema pretežno formiraju jonske veze. Kako se elementi približavaju u određenom periodu, ionska priroda njihovih spojeva se smanjuje, a kovalentni karakter se povećava. Na primjer, halogenidi i oksidi elemenata na lijevoj strani periodnog sistema formiraju pretežno ionske veze ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), a ista jedinjenja elemenata na desnoj strani tabele su kovalentna ( H 2 O, CO 2, NH 3, NO 2, CH 4, fenol C6H5OH, glukoza C 6 H 12 O 6, etanol C 2 H 5 OH).
Kovalentna veza, zauzvrat, ima još jednu modifikaciju.
U poliatomskim ionima i u složenim biološkim molekulima oba elektrona mogu doći samo iz jedan atom. To se zove donator elektronski par. Atom koji dijeli ovaj par elektrona sa donorom naziva se akceptor elektronski par. Ova vrsta kovalentne veze naziva se koordinacija (donator-akceptor, ilidativ) komunikacija(Sl. 5). Ova vrsta veze je najvažnija za biologiju i medicinu, budući da je kemija d-elemenata najvažnijih za metabolizam u velikoj mjeri opisana koordinacijskim vezama.
Fig. 5.
U pravilu, u kompleksnom spoju atom metala djeluje kao akceptor elektronskog para; naprotiv, u jonskim i kovalentnim vezama, atom metala je donor elektrona.
Suština kovalentne veze i njena raznolikost - koordinaciona veza - može se razjasniti uz pomoć druge teorije kiselina i baza koju je predložio GN. Lewis. On je donekle proširio semantički koncept pojmova "kiselina" i "baza" prema teoriji Bronsted-Lowryja. Lewisova teorija objašnjava prirodu stvaranja kompleksnih jona i učešće supstanci u reakcijama nukleofilne supstitucije, odnosno u stvaranju CS.
Prema Lewisu, kiselina je supstanca sposobna da formira kovalentnu vezu prihvatanjem elektronskog para iz baze. Lewisova baza je supstanca koja ima usamljeni elektronski par, koji doniranjem elektrona stvara kovalentnu vezu sa Lewisovom kiselinom.
Odnosno, Lewisova teorija proširuje raspon kiselinsko-baznih reakcija i na reakcije u kojima protoni uopće ne učestvuju. Štaviše, sam proton je, prema ovoj teoriji, također kiselina, jer je sposoban prihvatiti elektronski par.
Prema tome, prema ovoj teoriji, kationi su Lewisove kiseline, a anioni su Lewisove baze. Primjer bi bile sljedeće reakcije:
Gore je napomenuto da je podjela tvari na ionske i kovalentne relativna, jer se potpuni prijenos elektrona s atoma metala na atome akceptora ne događa u kovalentnim molekulima. U spojevima s ionskim vezama svaki ion je u električnom polju jona suprotnog predznaka, pa su međusobno polarizirani, a njihove ljuske su deformirane.
Polarizabilnost određena elektronskom strukturom, nabojem i veličinom jona; za anjone je veći nego za katione. Najveća polarizabilnost među kationima je za katione većeg naboja i manje veličine, npr. Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Al 3+, Tl 3+. Ima snažan polarizirajući efekat N+ . Budući da je utjecaj polarizacije jona dvosmjeran, značajno mijenja svojstva spojeva koje oni formiraju.
Treća vrsta veze jedipol-dipol vezu
Pored navedenih vrsta komunikacije, postoje i dipol-dipol intermolekularni interakcije, tzv van der Waals .
Snaga ovih interakcija ovisi o prirodi molekula.
Postoje tri vrste interakcija: permanentni dipol - permanentni dipol ( dipol-dipol atrakcija); permanentni dipol - inducirani dipol ( indukcija atrakcija); trenutni dipol - inducirani dipol ( disperzivno privlačnost, ili londonske sile; pirinač. 6).
Rice. 6.
Samo molekuli s polarnim kovalentnim vezama imaju dipol-dipolni moment ( HCl, NH 3, SO 2, H 2 O, C 6 H 5 Cl), a snaga veze je 1-2 Debaya(1D = 3,338 × 10‑30 kulona - C × m).
U biohemiji postoji još jedna vrsta veze - vodonik vezu, što je ograničavajući slučaj dipol-dipol atrakcija. Ova veza nastaje privlačenjem između atoma vodika i malog elektronegativnog atoma, najčešće kisika, fluora i dušika. Kod velikih atoma koji imaju sličnu elektronegativnost (kao što su hlor i sumpor), vodikova veza je mnogo slabija. Atom vodika se razlikuje po jednoj značajnoj osobini: kada se vezani elektroni povuku, njegovo jezgro - proton - je izloženo i više nije zaštićeno elektronima.
Stoga se atom pretvara u veliki dipol.
Vodikova veza, za razliku od van der Waalsove veze, nastaje ne samo tokom međumolekularnih interakcija, već i unutar jedne molekule - intramolekularno vodoničnu vezu. Vodikove veze igraju važnu ulogu u biohemiji, na primjer, za stabilizaciju strukture proteina u obliku a-heliksa, ili za formiranje dvostruke spirale DNK (slika 7).
Fig.7.
Vodikove i van der Waalsove veze su mnogo slabije od jonskih, kovalentnih i koordinacionih veza. Energija međumolekulskih veza je prikazana u tabeli. 1.
Tabela 1. Energija međumolekularnih sila
Napomena: Stepen međumolekularnih interakcija odražava se entalpijom topljenja i isparavanja (ključanja). Jonska jedinjenja zahtijevaju znatno više energije za razdvajanje jona nego za razdvajanje molekula. Entalpija topljenja jonskih jedinjenja je mnogo veća od one molekularnih jedinjenja.
Četvrta vrsta veze jemetalni spoj
Konačno, postoji još jedna vrsta međumolekulskih veza - metal: veza pozitivnih jona metalne rešetke sa slobodnim elektronima. Ova vrsta veze se ne javlja u biološkim objektima.
Iz kratkog pregleda tipova veza postaje jasan jedan detalj: važan parametar atoma ili jona metala - donora elektrona, kao i atoma - akceptora elektrona, je njegov veličina.
Ne ulazeći u detalje, napominjemo da se kovalentni radijusi atoma, ionski radijusi metala i van der Waalsovi radijusi molekula u interakciji povećavaju kako se njihov atomski broj povećava u grupama periodnog sistema. U ovom slučaju, vrijednosti radijusa jona su najmanje, a van der Waalsovi polumjeri najveći. Po pravilu, pri kretanju niz grupu, radijusi svih elemenata se povećavaju, kako kovalentnih tako i van der Waalsovih.
Od najvećeg značaja za biologe i lekare su koordinacija(donor-akceptor) veze koje razmatra koordinaciona hemija.
Medicinska bioanorganika. G.K. Barashkov
Kao što je već navedeno u paragrafu 4.2.2.1, metalni spoj- elektronska veza atomskih jezgara uz minimalnu lokalizaciju zajedničkih elektrona kako na pojedinačnim (za razliku od jonske veze) jezgri, tako i na pojedinačnim (za razliku od kovalentne veze) vezama. Rezultat je višecentrična hemijska veza sa nedostatkom elektrona u kojoj zajednički elektroni (u obliku "elektronskog gasa") obezbeđuju vezu za najveći mogući broj jezgara (katjona) koji formiraju strukturu tečnih ili čvrstih metalnih supstanci. Stoga je metalna veza u cjelini neusmjerena i zasićena; granični slučaj delokalizacije kovalentne veze. Podsjetimo da se u čistim metalima prvenstveno pojavljuje metalna veza homonuklearni, tj. ne može imati jonsku komponentu. Kao rezultat toga, tipična slika distribucije elektronske gustine u metalima je sferno simetrična jezgra (kationi) u ravnomerno raspoređenom elektronskom gasu (slika 5.10).
Shodno tome, konačna struktura jedinjenja sa pretežno metalnim tipom veze određena je prvenstveno steričkim faktorom i gustinom pakovanja u kristalnoj rešetki ovih kationa (visok CN). BC metoda ne može protumačiti metalne veze. Prema MMO, metalnu vezu karakteriše nedostatak elektrona u poređenju sa kovalentnom vezom. Stroga primjena MMO na metalne veze i veze dovodi do teorija pojasa(elektronski model metala), prema kojem u atomima uključenim u kristalnu rešetku metala dolazi do interakcije gotovo slobodnih valentnih elektrona smještenih u vanjskim elektronskim orbitama sa (električnim) periodičnim poljem kristalne rešetke. Kao rezultat toga, energetski nivoi elektrona se dijele i formiraju manje ili više široku traku. Prema Fermijevoj statistici, najveći energetski pojas je naseljen slobodnim elektronima do potpunog punjenja, posebno ako energetski članovi pojedinačnog atoma odgovaraju dva elektrona sa antiparalelnim spinovima. Međutim, može se djelomično popuniti, što daje mogućnost elektronima da pređu na više energetske nivoe. Onda
ova zona se zove zona provodljivosti. Postoji nekoliko osnovnih tipova relativnog rasporeda energetskih pojaseva, koji odgovaraju izolatoru, monovalentnom metalu, dvovalentnom metalu, poluprovodniku sa intrinzičnom provodljivošću, poluprovodniku tipa a i poluprovodniku sa primesama/b-tipu. Odnos energetskih pojaseva takođe određuje vrstu provodljivosti čvrste supstance.
Međutim, ova teorija ne dozvoljava kvantitativnu karakterizaciju različitih metalnih spojeva i nije dovela do rješenja problema porijekla stvarnih kristalnih struktura metalnih faza. Specifičnu prirodu hemijskih veza u homonuklearnim metalima, metalnim legurama i intermetalnim heterospojevima razmatra N.V. Ageev)
