Khái niệm liên kết hóa học có tầm quan trọng không nhỏ trong các lĩnh vực hóa học khác nhau như một ngành khoa học. Điều này là do thực tế là với sự trợ giúp của nó, các nguyên tử riêng lẻ có thể kết hợp thành phân tử, tạo thành tất cả các loại chất, đến lượt nó, là chủ đề của nghiên cứu hóa học.
Sự đa dạng của các nguyên tử và phân tử có liên quan đến sự xuất hiện của nhiều loại liên kết giữa chúng. Các lớp phân tử khác nhau được đặc trưng bởi các đặc điểm riêng của chúng về sự phân bố các electron, và do đó các loại liên kết riêng của chúng.
Khái niệm cơ bản
Liên kết hóa học là một tập hợp các tương tác dẫn đến liên kết các nguyên tử để tạo thành các hạt ổn định có cấu trúc phức tạp hơn (phân tử, ion, gốc), cũng như các tập hợp (tinh thể, thủy tinh, v.v.). Bản chất của những tương tác này là bản chất điện, và chúng phát sinh trong quá trình phân bố các electron hóa trị trong các nguyên tử đến gần.
Hiệu lực thường được gọi là khả năng của một nguyên tử để hình thành một số liên kết nhất định với các nguyên tử khác. Trong các hợp chất ion, số electron đã cho hoặc đi kèm được lấy làm giá trị của hóa trị. TẠItrong các hợp chất cộng hóa trị, nó bằng số cặp electron chung.
Trạng thái oxy hóa được hiểu là điện tích có điều kiện có thể có trên nguyên tử nếu tất cả các liên kết cộng hóa trị có cực đều là ion.
Độ đa liên kết là số cặp electron được chia sẻ giữa các nguyên tử được xem xét.
Các liên kết được xem xét trong các ngành hóa học khác nhau có thể được chia thành hai loại liên kết hóa học: liên kết dẫn đến sự hình thành các chất mới (nội phân tử) và liên kết hình thành giữa các phân tử (giữa các phân tử).
Đặc điểm giao tiếp cơ bản
Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ tất cả các liên kết hiện có trong phân tử. Nó cũng là năng lượng được giải phóng trong quá trình hình thành liên kết.
Độ dài liên kết là khoảng cách giữa các hạt nhân liền kề của các nguyên tử trong phân tử, tại đó lực hút và lực đẩy cân bằng.
Hai đặc điểm này của liên kết hóa học của các nguyên tử là thước đo độ bền của nó: độ dài càng ngắn và năng lượng càng lớn thì liên kết càng mạnh.
Góc liên kết thường được gọi là góc giữa các đường biểu diễn đi theo hướng liên kết qua các hạt nhân của nguyên tử.
Phương pháp mô tả liên kết
Hai cách tiếp cận phổ biến nhất để giải thích liên kết hóa học, mượn từ cơ học lượng tử:
Phương pháp obitan phân tử. Ông coi phân tử như một tập hợp các electron và hạt nhân của nguyên tử, với mỗi electron riêng lẻ chuyển động trong trường tác dụng của tất cả các electron và hạt nhân khác. Phân tử có cấu trúc quỹ đạo, và tất cả các electron của nó được phân bố dọc theo các quỹ đạo này. Ngoài ra, phương pháp này được gọi là MO LCAO, viết tắt của "orbital phân tử - sự kết hợp tuyến tính của các orbital nguyên tử".
Phương pháp liên kết hóa trị. Biểu diễn phân tử dưới dạng hệ thống gồm hai obitan phân tử trung tâm. Hơn nữa, mỗi người trong số họ tương ứng với một liên kết giữa hai nguyên tử liền kề trong phân tử. Phương pháp dựa trên các điều khoản sau:
- Sự hình thành liên kết hóa học được thực hiện bởi một cặp electron có spin trái dấu, chúng nằm giữa hai nguyên tử được coi là. Cặp electron được tạo thành thuộc về hai nguyên tử như nhau.
- Số liên kết được hình thành bởi một hoặc nguyên tử khác bằng số electron chưa ghép đôi ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích.
- Nếu các cặp electron không tham gia vào việc hình thành liên kết thì chúng được gọi là các cặp đơn lẻ.
Độ âm điện
Có thể xác định loại liên kết hóa học trong các chất dựa vào sự khác nhau về giá trị độ âm điện của các nguyên tử cấu tạo nên nó. Độ âm điện được hiểu là khả năng nguyên tử hút các cặp electron chung (đám mây electron), dẫn đến phân cực liên kết.
Có nhiều cách khác nhau để xác định giá trị độ âm điện của các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, thang đo phổ biến nhất được sử dụng là thang đo dựa trên dữ liệu nhiệt động lực học, được đề xuất vào năm 1932 bởi L. Pauling.
Sự khác biệt về độ âm điện của các nguyên tử càng lớn thì tính ion của nó càng rõ rệt. Ngược lại, giá trị độ âm điện bằng hoặc gần nhau cho biết bản chất cộng hóa trị của liên kết. Nói cách khác, có thể xác định liên kết hóa học nào quan sát được trong một phân tử cụ thể về mặt toán học. Để làm được điều này, bạn cần tính ΔX - hiệu số độ âm điện của các nguyên tử theo công thức: ΔX=| X1-X2|.
- Nếu ΔХ>1, 7, thì liên kết là ion.
- Nếu 0,5 ≦ ΔХ ≦ 1,7 thì liên kết cộng hóa trị có cực.
- Nếu ΔХ=0 hoặc gần với nó, thì liên kết là liên kết cộng hóa trị không phân cực.
Liên kết ion
Ionic là một liên kết xuất hiện giữa các ion hoặc do sự rút hoàn toàn cặp electron chung của một trong các nguyên tử. Trong các chất, loại liên kết hóa học này được thực hiện bằng lực hút tĩnh điện.
Các ion
là các hạt mang điện được hình thành từ các nguyên tử do kết quả của sự tăng hoặc mất các electron. Khi một nguyên tử nhận electron, nó sẽ nhận điện tích âm và trở thành anion. Nếu một nguyên tử tặng các electron hóa trị, nó sẽ trở thành một hạt mang điện dương được gọi là cation.
Nó là đặc trưng của các hợp chất được hình thành do sự tương tác giữa nguyên tử của kim loại điển hình với nguyên tử của phi kim loại điển hình. Chính của quá trình này là nguyện vọng của các nguyên tử để có được cấu hình điện tử ổn định. Và đối với điều này, các kim loại và phi kim loại điển hình chỉ cần cho hoặc nhận chỉ 1-2 electron,mà họ làm một cách dễ dàng.
Cơ chế hình thành liên kết ion hóa học trong phân tử theo truyền thống được coi là sử dụng ví dụ về sự tương tác của natri và clo. Nguyên tử kim loại kiềm dễ dàng nhường một êlectron do nguyên tử halogen kéo ra. Kết quả là cation Na+và anion Cl-, được giữ với nhau bằng lực hút tĩnh điện.
Không có liên kết ion lý tưởng. Ngay cả trong các hợp chất như vậy, thường được gọi là ion, sự chuyển electron cuối cùng từ nguyên tử này sang nguyên tử khác cũng không xảy ra. Cặp electron được tạo thành vẫn được sử dụng phổ biến. Do đó, họ nói về mức độ ion của một liên kết cộng hóa trị.
Liên kết ion được đặc trưng bởi hai tính chất chính liên quan đến nhau:
- không định hướng, tức là điện trường xung quanh ion có dạng hình cầu;
- Không bão hòa, tức là số lượng các ion mang điện trái dấu có thể được đặt xung quanh bất kỳ ion nào, được xác định bởi kích thước của chúng.
Liên kết hóa học cộng hóa trị
Liên kết hình thành khi các đám mây electron của các nguyên tử phi kim loại chồng lên nhau, tức là do một cặp electron chung thực hiện, được gọi là liên kết cộng hóa trị. Số cặp electron dùng chung quyết định tính đa dạng của liên kết. Do đó, các nguyên tử hydro được liên kết bằng một liên kết H ·· H đơn và các nguyên tử oxy tạo thành một liên kết đôi O:: O.
Có hai cơ chế hình thành nó:
- Trao đổi - mỗi nguyên tử đại diện cho một điện tử để hình thành một cặp chung: A +B=A: B, trong khi liên kết bao gồm các obitan nguyên tử bên ngoài, trên đó có một electron.
- Donor-acceptor - để hình thành một liên kết, một trong các nguyên tử (cho) cung cấp một cặp electron và nguyên tử thứ hai (acceptor) - một quỹ đạo tự do cho vị trí của nó: A +: B=A: B.
Cách mà các đám mây electron chồng lên nhau khi hình thành liên kết hóa học cộng hóa trị cũng khác nhau.
- Trực tiếp. Vùng chồng lấn đám mây nằm trên một đường thẳng tưởng tượng nối các hạt nhân của các nguyên tử được xem xét. Trong trường hợp này, liên kết σ được hình thành. Loại liên kết hóa học xảy ra trong trường hợp này phụ thuộc vào loại đám mây electron trải qua sự xen phủ: liên kết s-s, s-p, p-p, s-d hoặc p-d. Trong một hạt (phân tử hoặc ion), chỉ có một liên kết σ có thể xảy ra giữa hai nguyên tử lân cận.
- Bên. Nó được thực hiện ở cả hai phía của đường nối các hạt nhân của nguyên tử. Đây là cách liên kết π được hình thành và các dạng của nó cũng có thể xảy ra: p-p, p-d, d-d. Tách khỏi liên kết σ, liên kết π không bao giờ được hình thành; nó có thể nằm trong phân tử chứa nhiều liên kết (đôi và ba).
Tính chất liên kết cộng hóa trị
Chúng xác định các đặc tính hóa học và vật lý của các hợp chất. Các tính chất chính của bất kỳ liên kết hóa học nào trong các chất là tính định hướng, tính phân cực và tính phân cực của nó, cũng như độ bão hòa.
Hướng của liên kết xác định các tính năng của phân tửcấu trúc của các chất và hình dạng hình học của phân tử chúng. Bản chất của nó nằm ở chỗ có thể có sự chồng chéo tốt nhất của các đám mây electron với một định hướng nhất định trong không gian. Các phương án hình thành liên kết σ- và π đã được xem xét ở trên.
Bão hòa được hiểu là khả năng các nguyên tử hình thành một số liên kết hóa học nhất định trong phân tử. Số liên kết cộng hóa trị của mỗi nguyên tử bị giới hạn bởi số obitan ngoài cùng.
Độ phân cực của liên kết phụ thuộc vào sự khác nhau về giá trị độ âm điện của các nguyên tử. Nó quyết định sự đồng đều của sự phân bố các electron giữa các hạt nhân của nguyên tử. Liên kết cộng hóa trị trên cơ sở này có thể phân cực hoặc không phân cực.
- Nếu cặp electron chung của mỗi nguyên tử như nhau và nằm ở khoảng cách như nhau so với hạt nhân của chúng thì liên kết cộng hóa trị là không phân cực.
- Nếu cặp electron chung được dịch chuyển đến hạt nhân của một trong các nguyên tử, thì liên kết cộng hóa trị có cực được hình thành.
Tính phân cực được biểu thị bằng sự dịch chuyển của các electron liên kết dưới tác dụng của điện trường ngoài, có thể thuộc về hạt khác, các liên kết lân cận trong cùng một phân tử hoặc đến từ các nguồn điện từ bên ngoài. Vì vậy, một liên kết cộng hóa trị dưới ảnh hưởng của chúng có thể thay đổi cực của nó.
Theo sự lai hóa của các obitan hiểu được sự thay đổi dạng của chúng trong việc thực hiện liên kết hóa học. Điều này là cần thiết để đạt được sự chồng chéo hiệu quả nhất. Có các kiểu lai sau:
- sp3. Một obitan s và ba obitan p tạo thành bốncác obitan "lai" có cùng hình dạng. Nhìn bề ngoài, nó giống một tứ diện với góc giữa các trục là 109 °.
- sp2. Một obitan s và hai obitan p tạo thành một tam giác phẳng với góc giữa các trục là 120 °.
- sp. Một quỹ đạo s và một quỹ đạo p tạo thành hai quỹ đạo "lai" với góc giữa các trục của chúng là 180 °.
Liên kết kim loại
Một đặc điểm của cấu trúc nguyên tử kim loại là bán kính khá lớn và sự hiện diện của một số lượng nhỏ các electron ở các obitan ngoài cùng. Kết quả là, trong các nguyên tố hóa học như vậy, liên kết giữa hạt nhân và các electron hóa trị tương đối yếu và dễ bị phá vỡ.
Liên kết kim loại là sự tương tác giữa các nguyên tử-ion kim loại, được thực hiện với sự trợ giúp của các electron phân chia.
Trong các hạt kim loại, các electron hóa trị có thể dễ dàng rời khỏi các obitan bên ngoài, cũng như chiếm các vị trí trống trên chúng. Do đó, tại những thời điểm khác nhau, cùng một hạt có thể là một nguyên tử và một ion. Các electron bị xé ra khỏi chúng chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích của mạng tinh thể và thực hiện liên kết hóa học.
Loại liên kết này có những điểm tương đồng với liên kết ion và cộng hóa trị. Cũng như đối với ion, các ion cần thiết cho sự tồn tại của một liên kết kim loại. Nhưng nếu để thực hiện tương tác tĩnh điện trong trường hợp đầu tiên, các cation và anion là cần thiết, thì trong trường hợp thứ hai, vai trò của các hạt mang điện tích âm được thực hiện bởi các electron. Nếu chúng ta so sánh một liên kết kim loại với một liên kết cộng hóa trị, thì sự hình thành của cả hai đều cần các electron chung. Tuy nhiên, trongkhông giống như liên kết hóa học phân cực, chúng không nằm giữa hai nguyên tử mà thuộc về tất cả các hạt kim loại trong mạng tinh thể.
Liên kết kim loại chịu trách nhiệm về các tính chất đặc biệt của hầu hết các kim loại:
Tính chất
Liên kết hydro
Loại liên kết hóa học này đôi khi được gọi là chất trung gian giữa tương tác cộng hóa trị và tương tác giữa các phân tử. Nếu một nguyên tử hydro có liên kết với một trong những nguyên tố có độ âm điện mạnh (như phốt pho, oxy, clo, nitơ) thì nó có thể hình thành một liên kết bổ sung, được gọi là hydro.
Nó yếu hơn nhiều so với tất cả các loại liên kết đã xét ở trên (năng lượng không quá 40 kJ / mol), nhưng nó không thể bị bỏ qua. Đó là lý do tại sao liên kết hóa học hydro trong sơ đồ trông giống như một đường chấm.
Sự xuất hiện của một liên kết hydro có thể xảy ra do tương tác tĩnh điện cho-nhận đồng thời. Sự khác biệt lớn về giá trịđộ âm điện dẫn đến sự xuất hiện của mật độ electron dư thừa trên các nguyên tử O, N, F và các nguyên tử khác, cũng như sự thiếu hụt của nó trên nguyên tử hydro. Trong trường hợp không tồn tại liên kết hóa học giữa các nguyên tử như vậy, các lực hấp dẫn sẽ được kích hoạt nếu chúng đủ gần. Trong trường hợp này, proton là chất nhận cặp electron và nguyên tử thứ hai là chất cho.
Liên kết hydro có thể xảy ra cả giữa các phân tử lân cận, ví dụ, nước, axit cacboxylic, rượu, amoniac và trong một phân tử, ví dụ, axit salicylic.
Sự hiện diện của liên kết hydro giữa các phân tử nước giải thích một số tính chất vật lý độc đáo của nó:
- Các giá trị nhiệt dung, hằng số điện môi, điểm sôi và điểm nóng chảy, phù hợp với các tính toán, phải nhỏ hơn nhiều so với giá trị thực, điều này được giải thích là do sự liên kết của các phân tử và nhu cầu sử dụng năng lượng để phá vỡ liên kết hydro giữa các phân tử.
- Không giống như các chất khác, khi nhiệt độ giảm, thể tích của nước sẽ tăng lên. Điều này là do các phân tử chiếm một vị trí nhất định trong cấu trúc tinh thể của nước đá và di chuyển ra xa nhau bằng độ dài của liên kết hydro.
Kết nối này đóng một vai trò đặc biệt đối với các sinh vật sống, vì sự hiện diện của nó trong các phân tử protein quyết định cấu trúc đặc biệt của chúng và do đó là đặc tính của chúng. Ngoài ra, các axit nucleic, tạo nên chuỗi xoắn kép DNA, cũng được kết nối chính xác với nhau bằng các liên kết hydro.
Giao tiếp trong tinh thể
Đại đa số các chất rắn có mạng tinh thể - một điều đặc biệtsự sắp xếp lẫn nhau của các hạt tạo thành chúng. Trong trường hợp này, tính tuần hoàn ba chiều được quan sát và các nguyên tử, phân tử hoặc ion nằm ở các nút, được nối với nhau bằng các đường tưởng tượng. Tùy thuộc vào bản chất của các hạt này và liên kết giữa chúng, tất cả các cấu trúc tinh thể được chia thành nguyên tử, phân tử, ion và kim loại.
Có các cation và anion trong các nút của mạng tinh thể ion. Hơn nữa, mỗi chúng được bao quanh bởi một số lượng ion xác định nghiêm ngặt chỉ mang điện tích trái dấu. Một ví dụ điển hình là natri clorua (NaCl). Chúng có xu hướng có điểm nóng chảy và độ cứng cao vì chúng cần nhiều năng lượng để phá vỡ.
Phân tử của các chất được tạo thành bởi liên kết cộng hóa trị nằm ở các nút của mạng tinh thể phân tử (ví dụ, I2). Chúng được kết nối với nhau bằng tương tác van der Waals yếu, và do đó, cấu trúc như vậy rất dễ bị phá hủy. Các hợp chất như vậy có nhiệt độ sôi và điểm nóng chảy thấp.
Mạng tinh thể nguyên tử được tạo thành bởi các nguyên tử của các nguyên tố hoá học có hoá trị cao. Chúng liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị bền, tức là các chất có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao. Ví dụ là một viên kim cương.
Như vậy, tất cả các loại liên kết được tìm thấy trong hóa chất đều có những đặc điểm riêng, điều này giải thích sự phức tạp của tương tác giữa các hạt trong phân tử và chất. Tính chất của các hợp chất phụ thuộc vào chúng. Chúng xác định tất cả các quá trình xảy ra trong môi trường.
