Tại sao các nguyên tử có thể kết hợp với nhau để tạo thành phân tử? Đâu là lý do cho sự tồn tại có thể có của các chất, bao gồm các nguyên tử của các nguyên tố hóa học hoàn toàn khác nhau? Đây là những vấn đề toàn cầu ảnh hưởng đến các khái niệm cơ bản của khoa học vật lý và hóa học hiện đại. Bạn có thể trả lời chúng, có ý tưởng về cấu trúc điện tử của nguyên tử và biết các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị, là cơ sở cơ bản cho hầu hết các loại hợp chất. Mục đích của bài viết là làm quen với cơ chế hình thành các loại liên kết hóa học và đặc điểm tính chất của các hợp chất chứa chúng trong phân tử.
Cấu trúc điện tử của nguyên tử
Các hạt điện tử của vật chất, là thành phần cấu trúc của nó, có cấu trúc phản ánh cấu trúc của hệ mặt trời. Khi các hành tinh quay xung quanh ngôi sao trung tâm - Mặt trời, do đó các electron trong nguyên tử chuyển động xung quanh hạt nhân mang điện tích dương. Để mô tả đặc điểmTrong liên kết cộng hóa trị, các electron nằm ở mức năng lượng cuối cùng và xa hạt nhân nhất sẽ có giá trị đáng kể. Vì kết nối của chúng với tâm của nguyên tử của chúng là rất nhỏ, chúng có thể dễ dàng bị thu hút bởi các hạt nhân của các nguyên tử khác. Điều này rất quan trọng đối với sự xuất hiện của các tương tác giữa các nguyên tử dẫn đến sự hình thành các phân tử. Tại sao dạng phân tử là dạng tồn tại chính của vật chất trên hành tinh của chúng ta? Hãy cùng tìm hiểu.
Tính chất cơ bản của nguyên tử
Khả năng tương tác của các hạt trung hòa về điện, dẫn đến tăng năng lượng, là đặc điểm quan trọng nhất của chúng. Thật vậy, ở điều kiện bình thường, trạng thái phân tử của vật chất bền hơn trạng thái nguyên tử. Các quy định chính của lý thuyết nguyên tử và phân tử hiện đại giải thích cả nguyên tắc hình thành phân tử và các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị. Nhớ lại rằng mức năng lượng bên ngoài của một nguyên tử có thể chứa từ 1 đến 8 electron, trong trường hợp sau này thì lớp này sẽ hoàn chỉnh, có nghĩa là nó sẽ rất ổn định. Nguyên tử của khí quý có cấu trúc bậc ngoài như vậy: argon, krypton, xenon - các nguyên tố trơ hoàn thành từng giai đoạn trong hệ thống D. I. Mendeleev. Ngoại lệ ở đây là helium không có 8 mà chỉ có 2 electron ở mức cuối cùng. Lý do rất đơn giản: trong thời kỳ đầu chỉ có hai nguyên tố mà nguyên tử của chúng có một lớp electron duy nhất. Tất cả các nguyên tố hóa học khác đều có từ 1 đến 7 electron ở lớp cuối cùng, không đầy đủ. Trong quá trình tương tác với nhau, các nguyên tử sẽphấn đấu để được lấp đầy bởi các điện tử lên đến một octet và khôi phục lại cấu hình của một nguyên tử của một nguyên tố trơ. Trạng thái như vậy có thể đạt được theo hai cách: bằng cách mất đi của chính mình hoặc bằng cách chấp nhận các hạt mang điện âm ngoại lai. Những hình thức tương tác này giải thích cách xác định liệu liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị sẽ hình thành giữa các nguyên tử phản ứng.
Cơ chế hình thành cấu hình điện tử ổn định
Hãy tưởng tượng rằng hai chất đơn giản tham gia phản ứng của hợp chất: natri kim loại và clo ở thể khí. Một chất thuộc nhóm muối được tạo thành - natri clorua. Nó có một loại liên kết hóa học ion. Tại sao và nó ra đời như thế nào? Chúng ta hãy quay lại với cấu trúc của các nguyên tử của các chất ban đầu. Natri chỉ có một điện tử ở lớp cuối cùng, liên kết yếu với hạt nhân do bán kính nguyên tử lớn. Năng lượng ion hóa của tất cả các kim loại kiềm, bao gồm cả natri, là thấp. Do đó, êlectron của mức ngoài cùng rời khỏi mức năng lượng, bị hạt nhân nguyên tử clo hút và giữ nguyên trong không gian của nó. Điều này tạo ra tiền lệ cho sự chuyển đổi nguyên tử Cl thành dạng ion mang điện tích âm. Bây giờ chúng ta không còn xử lý các hạt trung hòa về điện nữa, mà với các cation natri tích điện và anion clo. Theo quy luật vật lý, lực hút tĩnh điện phát sinh giữa chúng và hợp chất tạo thành mạng tinh thể ion. Cơ chế hình thành loại ion của liên kết hóa học mà chúng tôi xem xét sẽ giúp làm rõ hơn các đặc điểm cụ thể và chính của liên kết cộng hóa trị.
Các cặp electron dùng chung
Nếu liên kết ion xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố có độ âm điện rất khác nhau, tức là kim loại và phi kim loại, thì kiểu cộng hóa trị xuất hiện khi các nguyên tử của cùng một hoặc các nguyên tố phi kim tương tác với nhau. Trong trường hợp đầu tiên, người ta thường nói về dạng không phân cực, và trường hợp khác, về dạng phân cực của liên kết cộng hóa trị. Cơ chế hình thành chúng là chung: mỗi nguyên tử nhường một phần cho các electron để sử dụng chung, chúng được kết hợp thành từng cặp. Nhưng sự sắp xếp trong không gian của các cặp electron so với hạt nhân của nguyên tử sẽ khác nhau. Trên cơ sở này, các loại liên kết cộng hóa trị được phân biệt - không phân cực và có cực. Thông thường, trong các hợp chất hóa học bao gồm các nguyên tử của các nguyên tố phi kim loại, có các cặp gồm các electron có spin trái dấu, tức là quay xung quanh hạt nhân của chúng theo các hướng ngược nhau. Vì sự chuyển động của các hạt mang điện tích âm trong không gian dẫn đến sự hình thành các đám mây electron, kết thúc cuối cùng là sự xen phủ lẫn nhau của chúng. Hậu quả của quá trình này đối với các nguyên tử là gì và nó dẫn đến điều gì?
Tính chất vật lý của liên kết cộng hóa trị
Hóa ra là giữa tâm của hai nguyên tử tương tác có một đám mây hai electron với mật độ lớn. Lực hút tĩnh điện giữa bản thân đám mây tích điện âm và hạt nhân của các nguyên tử tăng lên. Một phần năng lượng được giải phóng và khoảng cách giữa các tâm nguyên tử giảm xuống. Ví dụ, khi bắt đầu hình thành phân tử H2khoảng cách giữa các hạt nhân của nguyên tử hydrolà 1,06 A, sau sự xen phủ của các đám mây và hình thành một cặp electron chung - 0,74 A. Các ví dụ về liên kết cộng hóa trị được hình thành theo cơ chế trên có thể được tìm thấy cả giữa các chất vô cơ đơn giản và phức tạp. Đặc điểm phân biệt chính của nó là sự hiện diện của các cặp electron chung. Kết quả là, sau khi xuất hiện liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử, ví dụ, hydro, mỗi nguyên tử đều nhận được cấu hình điện tử của heli trơ và phân tử tạo thành có cấu trúc ổn định.
Hình dạng không gian của phân tử
Một tính chất vật lý rất quan trọng khác của liên kết cộng hóa trị là tính định hướng. Nó phụ thuộc vào cấu hình không gian của phân tử chất. Ví dụ, khi hai điện tử trùng lặp với một đám mây hình cầu, sự xuất hiện của phân tử là tuyến tính (hydro clorua hoặc hydro bromua). Hình dạng của các phân tử nước, trong đó các đám mây s và p lai với nhau, có dạng góc cạnh và các hạt nitơ thể khí rất mạnh trông giống như một kim tự tháp.
Cấu tạo của chất đơn giản - phi kim loại
Đã tìm ra loại liên kết được gọi là cộng hóa trị, nó có những dấu hiệu nào, bây giờ là lúc giải quyết các giống của nó. Nếu các nguyên tử của cùng một phi kim loại - clo, nitơ, oxi, brom, … tương tác với nhau thì các chất đơn giản tương ứng được tạo thành. Các cặp electron chung của chúng nằm cách tâm các nguyên tử bằng nhau, không chuyển dịch. Đối với các hợp chất có loại liên kết cộng hóa trị không phân cực, các đặc điểm sau là vốn có: nhiệt độ sôi thấp vàtính nóng chảy, không tan trong nước, tính chất điện môi. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu những chất nào được đặc trưng bởi liên kết cộng hóa trị, trong đó xảy ra sự chuyển dịch của các cặp electron chung.
Độ âm điện và ảnh hưởng của nó đến loại liên kết hóa học
Tính chất của một nguyên tố cụ thể để hút electron từ nguyên tử của nguyên tố khác trong hóa học được gọi là độ âm điện. Thang giá trị của tham số này, do L. Pauling đề xuất, có thể được tìm thấy trong tất cả các sách giáo khoa về hóa học vô cơ và đại cương. Giá trị cao nhất của nó - 4,1 eV - có flo, giá trị nhỏ hơn - các phi kim loại hoạt động khác, và chỉ số thấp nhất là điển hình cho các kim loại kiềm. Nếu các nguyên tố khác nhau về độ âm điện phản ứng với nhau, thì chắc chắn một nguyên tố tích cực hơn sẽ hút các hạt mang điện tích âm của nguyên tử của nguyên tố thụ động hơn vào hạt nhân của nó. Do đó, các tính chất vật lý của liên kết cộng hóa trị phụ thuộc trực tiếp vào khả năng hiến electron của các nguyên tố để sử dụng chung. Các cặp chung tạo thành không còn nằm đối xứng với các hạt nhân nữa, mà được dịch chuyển về phía nguyên tố hoạt động hơn.
Đặc điểm của các hợp chất có liên kết phân cực
Các chất trong phân tử mà các cặp electron chung không đối xứng so với hạt nhân của nguyên tử bao gồm hiđro halogenua, axit, hợp chất của chalcogens với hiđro và oxit axit. Đây là các axit sunfat và nitrat, các ôxít của lưu huỳnh và phốt pho, hydro sunfua, v.v. Ví dụ, một phân tử hydro clorua chứa một cặp điện tử chung,được tạo thành bởi các electron chưa ghép đôi của hydro và clo. Nó được dịch chuyển gần tâm của nguyên tử Cl, là nguyên tố có độ âm điện lớn hơn. Tất cả các chất có liên kết phân cực trong dung dịch nước đều phân ly thành ion và dẫn điện. Các hợp chất có liên kết cộng hóa trị phân cực, ví dụ mà chúng tôi đã đưa ra, cũng có nhiệt độ nóng chảy và sôi cao hơn so với các chất phi kim loại đơn giản.
Phương pháp phá vỡ liên kết hóa học
Trong hóa học hữu cơ, phản ứng thế của hydrocacbon no bằng halogen theo cơ chế gốc. Một hỗn hợp metan và clo trong ánh sáng và ở nhiệt độ bình thường phản ứng theo cách mà các phân tử clo bắt đầu phân tách thành các hạt mang các điện tử chưa ghép đôi. Nói cách khác, sự phá hủy cặp electron chung và sự hình thành các gốc -Cl rất hoạt động được quan sát thấy. Chúng có thể tác động đến các phân tử mêtan theo cách mà chúng phá vỡ liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử cacbon và hydro. Một hạt hoạt động –H được hình thành, và hóa trị tự do của nguyên tử cacbon tiếp nhận gốc clo, và clorometan trở thành sản phẩm đầu tiên của phản ứng. Cơ chế phân tách các phân tử như vậy được gọi là đồng phân. Nếu cặp electron chung chuyển hoàn toàn vào quyền sở hữu của một trong các nguyên tử, thì chúng nói lên cơ chế dị phân đặc trưng của các phản ứng diễn ra trong dung dịch nước. Trong trường hợp này, các phân tử nước phân cực sẽ làm tăng tốc độ phá hủy các liên kết hóa học của hợp chất hòa tan.
Nhân đôi và gấp baliên kết
Đại đa số các chất hữu cơ và một số hợp chất vô cơ chứa trong phân tử của chúng không phải một mà là một số cặp electron chung. Tính đa dạng của liên kết cộng hoá trị làm giảm khoảng cách giữa các nguyên tử và tăng tính bền của các hợp chất. Chúng thường được gọi là kháng hóa chất. Ví dụ, trong phân tử nitơ có ba cặp electron, chúng được biểu thị trong công thức cấu tạo bằng ba dấu gạch ngang và xác định độ bền của nó. Chất đơn giản nitơ trơ về mặt hóa học và có thể phản ứng với các hợp chất khác, chẳng hạn như hydro, oxy hoặc kim loại, chỉ khi đun nóng hoặc ở áp suất cao, cũng như khi có mặt chất xúc tác.
Liên kết đôi và liên kết ba vốn có trong các loại hợp chất hữu cơ như hydrocacbon đien không no, cũng như các chất thuộc dãy etylen hoặc axetilen. Nhiều liên kết xác định các tính chất hóa học chính: phản ứng cộng và phản ứng trùng hợp xảy ra tại các điểm đứt gãy của chúng.
Trong bài viết của chúng tôi, chúng tôi đã mô tả chung về liên kết cộng hóa trị và kiểm tra các loại chính của nó.
