Instrukcije iz kemije - Kemijske veze

Kemijska veza je spoj dva ili vie atoma u kojem sudjeluju valentni elektroni. Raspodjela valentnih elektrona koji sudjeluju u tvorbi veze odreuju tip kemijske veze.Zbog razliitih svojstava atoma razlikujemo kovalentnu, ionsku i metalnu vezu.

Kovalentna veza je kemijska veza koja nastaje spajanjem atoma nemetala kao posljedica sparivanja elektrona meu jezgrama.Ionska veza je veza koju uzrokuje elektrostatsko privlaenje suprotno nabijenih iona, a nastaje pri spajanju metala i nemetala.Metalna veza je veza izmeu atoma metala.

Postoje i intermolekulne veze koje povezuju atome susjednih molekula u tekuinama, a karakterizirane su van der Waalsovim silama.

Gilbert N. Lewis (1875. - 1946.)

Gilbert N. Lewis predloio je prikaz atoma u kojem je simbolom elementa oznaio jezgru i sve elektrone osim valentnih elektrona. Valentne elektrone je oznaio tokicama.

Lewisove oznake s tokicama za elemente glavnih skupina

Svaka perioda periodnog sustava zapoinje metalom, a zavrava plemenitim plinom iji atomi imaju OKTETNU ELEKTRONSKU KONFIGURACIJU.Lewis je pretpostavio da vezanje atoma u molekulu nastaje zbog tenje svakog atoma da postigne elektronsku konfiguraciju njemu najblieg plemenitog plina. Takva konfiguracija atoma je energetski najpovoljnija jer je to stanje s najniom energijom.

Svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s tono odreenim brojem atoma drugog elementa zovemo valencija.

Kemijske veze

Metalna vezaMetalnom vezom veu se atomi metala koji vrlo lako otputaju elektrone. Pri tome svi atomi postaju pozitivni ioni koje vrsto vee jedan oblak delokaliziranih elektrona.

Ionska vezaIonskom vezom veu se atomi metala koji lagano otputaju elektrone i atomi nemetala koji elektrone lako primaju. Nastaju pozitivno i negativno nabijeni ioni meu kojima je jaka privlana sila elektrostatske prirode.

Kovalentna vezaZajednikim elektronskim parom povezani su istovrsni ili raznovrsni atomi nemetala. Kovalentna veza izmeu raznovrsnih atoma je polarna, a zajedniki elektronski par je blie elektronegativnijem atomu.

Kovalentna vezaI. Kovalentna veza izmeu istovrsnih atoma

Kovalentnu vezu karakterizira stvaranje zajednikog elektronskog para izmeu atoma u molekuli.Zajedniki elektronski par pripada jednom i drugom atomu. Stvaranjem zajednikog elektronskog para atomi e u molekuli popuniti dubletnu ili oktetnu konfiguraciju najblieg plemenitog plina (energetski najpovoljnije).Kovalentna veza nastaje pri spajanju atoma nemetala.

Valencija elemenata u spoju s kovalentnom vezom naziva se kovalencija. To je broj zajednikih elektronskih parova koje stvara jedan atom.Atomi u molekulama mogu biti povezani jednostrukom, dvostrukom i trostrukom kovalentnom vezom.

Primjeri:Stvaranje molekule vodikaSvaki atom vodika ima po jedan elektron koji daje u zajedniki elektronski par.Podjelom zajednikog elektronskog para oba su atoma postigla stabilnu elektronsku konfiguraciju plemenitog plina helija.

U molekuli vodika se preklapaju atomske orbitale, pri emu nastaje zajednika molekulska orbitala.Jedan zajedniki elektronski par najee oznaavamo crticom koja prikazuje kovalentnu vezu.Ako su atomi povezani jednim zajednikim elektronskim parom vezu nazivamo jednostrukom kovalentnom vezom.Stvaranje molekule kloraSvaki atom klora ima u valentnoj ljusci sedam elektrona.

Stvaranjem jednog zajednikog elektronskog para oba su atoma postigla energetski najpovoljniju elektronsku konfiguraciju (plemenitog plina argona).Atomi klora vezani su jednostrukom kovalentnom vezom.U molekuli klora osim jednog zajednikog svaki atom ima po tri nepodijeljena elektronska para.

Stvaranje molekule kisikaAtomi kisika u valentnoj ljusci imaju est elektrona. Oktetnu elektronsku konfiguraciju postiu povezivanjem s dva zajednika elektronska para i nastaje dvostruka kovalentna veza.

Stvaranje molekule duikaDuik u valentnoj ljusci ima pet elektrona. Kako bi postigao energetski stabilnu konformaciju u molekuli duika e se dva atoma duika povezati trostrukom kovalentnom vezom (nastaju tri zajednika elektronska para).

Kovalentna veza IIII. Kovalentna veza izmeu raznovrsnih atoma

Povezivanje klora s atomom vodika prilikom nastanka klorovodika:

Nastala je jednostruka veza jer je nastao samo jedan zajedniki elektronski par.

Svi halogeni elementi s vodikom tvore halogenovodike (molekule u kojima je uvijek jedan atom halogenog elementa povezan s atomom vodika jednostrukom vezom).

Atomi halkogenih elemenata (16. skupina) imaju u valentnoj ljusci est elektrona.

Nastajanje vode:

Kako bi ostvario elektronsku konfiguraciju neona, atom kisika u spojevima s vodikom vee se sa dva atoma vodika (dvije jednostruke veze).U 15. skupini atomi u valentnoj ljusci imaju pet elektrona. Pri spajanju s vodikom moraju nastati tri zajednika elektronska para s tri atoma vodika da bi postigli energetski povoljnu elektronsku konfiguraciju.

Atomi elemenata 14. skupine imaju etiri elektrona u valentnoj ljusci. Za postizanje energetski najpovoljnije elektronske konfiguracije potrebna su etiri zajednika elektronska para s vodikom. Nastaju etiri jednostruke veze.

Nastajanje ugljikovog (IV) oksida:

Nastaju dvije dvostruke kovalentne veze izmeu jednog atoma ugljika i dva atoma kisika (jer ugljik u valentnoj ljusci ima etiri nesparena elektrona, a kisik dva).Strukturna formula CO2:

Strukturna formula pokazuje nain vezivanja i raspored atoma u molekuli.

III. Usmjerenost kovalentne veze

Kovalentna veza je strogo usmjerena u prostoru.Meusobni poloaj atoma u molekuli (kutovi izmeu veza) ovisi o:a) broju atoma u molekulib) broju zajednikih i slobodnih elektronskih parova oko sredinjeg atoma

Mnoga svojstva molekula ovise o poloaju kovalentnih veza u molekuli.Nepodijeljeni elektronski parovi se jae odbijaju od zajednikih (podijeljenih elektronskih parova) jer se rasprostiru u veem prostoru.

Primjeri

Molekula metana

U molekuli metana sva su etiri elektronska para podijeljena. Elektronski parovi se zbog istovrsnog naboja nastoje meusobno to vie udaljiti.Kut izmeu njih je tetraedarski i iznosi 109,5.

Molekula amonijaka

Tri su elektronska para vezana, a jedan je slobodan. Slobodni elektronski par jae odbija vezane elektronske parove, pa se oni moraju meusobno pribliiti.Kut izmeu njih je manji od tetraedarskog i iznosi 107.

Molekula vode

Molekula vode ima dva nepodijeljena elektronska para koja djeluju na dva podijeljena.Kut iznosi 104,5.

IV. Odstupanje od pravila okteta

Berilijev klorid BeCl2

Oko berilijevog atoma nalaze se dva zajednika elektronska para.Elektronski parovi se odbijaju, tako da e dva elektronska para biti najudaljenija ako kut izmeu kovalentnih veza iznosi 180.Molekula berilijevog klorida je linearna.

Borov klorid BCl3

U sreditu molekule nalazi se borov atom koji je s tri kovalentne veze vezan s tri atoma klora.Tri e elektronska para biti na najveoj udaljenosti u prostoru ako kovalentne veze zatvaraju kut od 120.Molekula borovog klorida je planarna.

Fosforov (V) klorid PCl5

Fosfor je u ovoj molekuli sredinji atom, okruen je s pet elektronskih parova.Kutovi izmeu veza su 90 i 120.Prostorni raspored je trostrana bipiramida.

Sumporov (VI) fluorid SF6

Sredinji atom sumpora vezan je sa est kovalentnih veza sa est atoma fluora.sve veze zatvaraju kut od 90, a oblik molekule je oktaedar.

Vie od etiri para elektrona mogu imati samo oni sredinji atomi koji imaju mogunost popunjavanja d orbitala.Lewisov prikaz je samo jedan od modela kojim se moe objasniti graa jednostavnijih molekula.Grau sloenijih molekula objanjava teorija VSEPR (Valence shell electron pair repulsion) Odbijanje elektronskih parova valentne ljuske.

Geometrija molekula prema VSEPR - teoriji

V. Valencije u spojevima s kovalentnom vezom

Valencija je svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s odreenim brojem atoma drugog jednovalentnog elementa.

U kovalentnim spojevima valencija je odreena brojem elektrona koje atom daje za stvaranje zajednikih elektronskih parova.

Kovalentni i van der Waalsov polumjer

Udaljenost izmeu jezgara atoma vezanih kovalentnom vezom naziva se duljina kovalentne veze.Ako su kovalentnom vezom vezani istovrsni atomi onda polovina tog razmaka ini kovalentni polumjer.

Kovalentni polumjer atoma jednak je polovini meuatomske udaljenosti u molekuli elementarne tvari tj. polovini duljine kovalentne veze.

Energija potrebna da se raskine kemijska veza atoma u plinovitom stanju, tj. da se dovedu na udaljenost na kojoj sile izmeu njih vie ne djeluju, zove se energija veze.Veza je jaa to je duljina veze manja, a energija veze vea.Van der Waalsov polumjer

Van der Waalsov polumjer je polovina meuatomske udaljenosti dvaju istovrsnih atoma koji su u dodiru, u tekuini ili kristalnoj reetki, ali nisu meusobno povezani kemijskom vezom.

Van der Waalsovi su znatno vei od kovalentnih polumjera.

VI. Elektronegativnost atoma

U kovalentnoj vezi izmeu istovrsnih atoma oba atoma jednako sudjeluju u zajednikom elektronskom oblaku, a teita pozitivnog i negativnog naboja nalaze se na istom mjestu.

U kovalentnoj vezi izmeu raznovrsnih atoma jedan od njih jae privlai elektrone.Elektronegativnost je relativna mjera sposobnosti jezgre jednog atoma da privlai elektrone iz zajednikog elektronskog para.

Linus Pauling (1901. 1994.)

Elektronegativnost svake pojedine vrste atoma brojano izrazio koeficijentom elektronegativnosti.

Elektronegativnost i kovalentne veze

Razlika u elektronegativnosti atoma u kovalentnoj vezi izmeu raznovrsnih atoma uzrokuje razdvajanje teita pozitivnog i negativnog naboja.Nastaju polarne ili dipolne molekule (dipoli).Veza izmeu atoma razliite elektronegativnosti je kovalentna veza s djelomino ionskom prirodom.

+ je dio molekule u kojem se nalazi atom manje elektronegativnosti, oko njega je manja gustoa elektronskog oblaka. je dio molekule s atomom vee elektronegativnosti, oko njega je vea gustoa elektronskog oblaka.

Elektrini dipolni moment () je mjera za polarnost. To je umnoak elektrinog naboja i udaljenosti polova.

= e l

elektrini dipolni momente elektrini nabojl udaljenost teita pozitivnog i negativnog naboja

Dipolni moment se oznaava strelicom od pozitivnijeg dijela molekule prema negativnijem.

Svaka molekula s polarnim kovalentnim vezama nije dipolna molekula. U simetrino izgraenim molekulama dipolni moment je jednak nuli, pa je molekula nepolarna.

Ionska veza

Ionska veza nastaje spajanjem atoma metala s atomima nemetala.Elektroni potpuno prelaze s jednog atoma na drugi, pa nastaju ioni (ne zajedniki elektronski parovi).

Energija koja je potrebna da bi se izbacio elektron iz atoma u plinovitom stanju zove se energija ionizacije.

Metali imaju malu energiju ionizacije. Tvore pozitivne ione katione.

Kationi imaju polumjer manji od polumjera odgovarajueg atoma.

Nemetali imaju veliki afinitet prema elektronu, pa lagano primaju otputene elektrone metala (elektrone e primati lake zato to imaju veu elektronegativnost).

Tvore negativne ione anione.Polumjer aniona uvijek je vei od polumjera njegovog atoma (jezgra slabije privlai vei broj elektrona).

Energija koja je potrebna da bi se izbacio elektron iz atoma u plinovitom stanju zove se energija ionizacije.Ako se iz atoma izbaci jedan elektron potrebno je utroiti prvu energiju ionizacije.Za izbacivanje drugog elektrona potrebna je druga energija ionizacije, koja je znatno vea od prve energije ionizacije.Energija ionizacije opada porastom atomskog broja unutar skupine.Nastajanje ionske vezeNastajanje ionske veze izmeu natrija i kloraAtom natrija u valentnoj ljusci ima jedan elektron, a atom klora sedam elektrona.Lewisovim oznakama prikaz nastajanja ionske veze:

Atom moe otpustiti elektrone samo ako postoji drugi atom koji e te elektrone primiti.Prikaz nastajanja ionske veze kemijskim jednadbama:

Svi procesi tijekom kojih dolazi do prijenosa elektrona pripadaju redukcijsko oksidacijskim procesima (redoks procesima).Oksidacija je proces otputanja elektrona.Redukcija je proces primanja elektrona.Izmeu iona djeluju jake elektrostatske privlane sile i vrijedi Coulombov zakon:Privlana sila (F) izmeu dva suprotno nabijena elektrina naboja razmjerna je koliini naboja Q1 i Q2, a obrnuto razmjerna kvadratu udaljenosti naboja (r).

Ionska veza zbog elektrine prirode nije usmjerena u prostoru.

Valencija u spojevima s ionskom vezom

U ionskom spoju valencija elementa jednaka je broju elektrona koje je atom metala otpustio ili atom nemetala primio.Promjenjiva valencija karakteristina je za veinu prijelaznih elemenata, to znai da atomi tih elemenata mogu otpustiti razliit broj elektrona.

Broj pozitivnih ili negativnih naboja iona naziva se nabojni broj.

Ionska veza zadaci

Primjer 1. Objasnite ionsku vezu u magnezij oksidu, MgO.

Atomski broj magnezija je 12, a njegova elektronska konfiguracija je:

ili 1s22s22p63s2

Atomski broj kisika je 8, a njegova elektronska konfiguracija je:

ili 1s22s22p4

Atomu kisika nedostaju dva elektrona da bi popunio p orbitale drugog energetskog nivoa. Ta dva elektrona primit e od atoma magnezija.Lewisove oznake:

Kemijskim jednadbama:

Primjer 2. Objasnite ionsku vezu u magnezij fluoridu, MgF2.

Lewisovim oznakama:

Kemijskim jednadbama:

Zadaci:1. Zato je cink bromid (ZnBr2) ionski spoj?2. Objasnite stvaranje ionske veze u bakar (I) kloridu (CuCl) i bakar (II) kloridu (CuCl2).3. Koji od navedenih iona ima najmanji polumjer: K+, Rb+, Ca2+?4. Lewisovom simbolikom prikaite stvaranje ionske veze u spojevima: a) kalcij sulfida (CaS) b) berilij oksida (BeO) c) magnezij nitrida (Mg3N2) d) natrij oksida (Na2O) e) eljezo (III) sulfida (Fe2S3)

Meumolekulske sileVan der Waalsove sile su privlane sile izmeu molekula.Slabije su od kovalentnih veza, a posljedice njihovog djelovanja su razliita agregatna stanja tvari.Molekule mogu imati stalan ali i inducirani dipol.

Stalan dipol imaju polarne molekule.Privlae se suprotno nabijeni krajevi dipolni molekula (privlane sile su elektrostatske prirode).

Privlaenje polarnih molekula

Elektroni su u atomu i molekuli u stalnom gibanju (raspodjela naboja je nestalna). U jednom trenutku elektronski oblak moe imati simetrinu raspodjelu,a u drugom trenutku elektronski oblak postaje gui na jednoj, a rjei na drugoj strani atoma.

Na taj nain nastaje trenutani dipol.Trenutani dipoli uzrokuju nastajanje induciranih dipola u susjednim atomima ili molekulama jer dolazi do privlaenja jezgre jednog i elektronskog oblaka drugog atoma koji nisu kemijski vezani.Meu induciranim dipolima djeluju vrlo slabe i kratkotrajne sile.

Londonove sile su van der Waalsove privlane sile koje nemaju stalni dipol, a posljedica su trenutanih i induciranih dipola prisutnih u svakom sustavu.

Jakost van der Waalsovih sila ovisi o:a) raspodjeli elektronske gustoeb) veliini molekula i atomac) njihovoj udaljenosti

to su molekule i atomi vei, vei je i broj dodira izmeu njih, pa su time i van der Waalsove sile jae.O jakosti van der Waalsovih sila ovise talita i vrelita tvari, a time i agregatno stanje.

Vodikova veza Vodikova veza je veza elektrostatske prirode izmeu dvije dipolne molekule u kojima je vodik vezan na neki jako elektronegativan element (kao to su fluor, kisik i duik).Mnogo su slabije od kovalentne veze, a neto jae od van der Waalsovih sila.

Vodikova veza ima veliko znaenje u vodi.

Anomalija vode je pojava da je gustoa vode najvea pri +4C, a gustoa leda pri 0C manja.Led je voda u vrstom agregatnom stanju, a molekule vode su pravilno rasporeene u prostoru, te ine kristale.Svaki atom kisika u toj je strukturi okruen sa etiri atoma vodika, dva atoma vodika vezana su kovalentnim vezama, a druga dva atoma iz susjednih molekula vodikovim vezama.

Zagrijavanjem leda dovodi se toplina (energija) koja se koristi za postupno kidanje vodikovih veza. Molekule naputaju pravilnu strukturu, meusobno se vie pribliavaju.Iznad +4C broj vodikovih veza se toliko smanji da znatnije dolazi do izraaja termiko gibanje molekula. Gustoa opada.

Vodikova veza moe nastati izmeu istovrsnih ili raznovrsnih molekula koje su jako polarne (npr. izmeu molekula alkohola i vode). Spojevi u kojima su molekule povezane vodikovim vezama imaju mnogo via talita i vrelita od oekivanih, jer su privlane sile izmeu molekula jae, pa je potrebna mnogo vea energija za njihovo kidanje.

Vodikove veze su odgovorne za odreivanje i odravanje trodimenzionalnih struktura biolokih makromolekula. Oblik dvostruke zavojnice molekule DNA izgraen je poprenim vodikovim vezama izmeu odgovarajuih parova baza.

Zadak:1. Lewisovim strukturama prikaite vodikove veze izmeu:a) dvije molekule amonijakab) dvije molekule CH3OHc) molekule HF i C2H5OH

3