background image

4. Wiązania chemiczne 

Tworzenie cząsteczek umożliwia pierwiastkom 

uzyskanie na zewnętrznej powłoce 

konfiguracji elektronowej zapewniającej im 

minimum energetyczne i bierność chemiczną;  

takie działanie prowadzi do powstania

   

wiązania chemicznego

  

Tylko nieliczne pierwiastki występują w przyrodzie w stanie atomowym; większość łączy się z innymi 

atomami tworząc

 

cząsteczk

i.   

 

  

cząsteczki pierwiastków -  

zbudowane z tych samych 

pierwiastków 

 

cząsteczki związków 

chemicznych – tworzone przez 

atomy różnych pierwiastków

  

Wg 

elektronowej 

teorii 

wiązań 

chemicznych

  (Kossel  i 

Lewis,  1916) 

reagujące  ze  sobą  atomy  dążą  do 
uzupełnienia 

lub 

 

zredukowania 

walencyjnej 

(zewnętrznej) 

powłoki 

elektronowej  do 

powłoki  najbliższego 

helowca, 

tzn.

 

do 

elektronów

stanowiących  tzw.

 

oktet  elektronowy,  

lub

 

do  2 

elektronów

 

(tzw

dublet 

elektronowy - jak w przypadku helu). 

 

Sposób, w jaki następuje uzupełnianie lub 

redukcja elektronów walencyjnych i rodzaj 

tworzonego wiązania zależy od elektroujemności  

pierwiastków je tworzących  

przy znacznej różnicy w elektroujemności (o więcej niż 1,7 w skali Paulinga) następuje 

przekazanie elektronów 

jednego atomu drugiemu

 

– 

powstaje  

 

wiązanie heteropolarne (jonowe)  

przy atomach tych samych pierwiastków

  

lub

 

atomach niemetali o małej różnicy elektroujemności        

następuje 

uwspólnienie (współużytkowanie) elektronów walencyjnych

 

–                                                      

powstaje

 

wiązanie kowalencyjne (atomowe)

 

lub

  

wiązanie 

donorowo-akceptorowe (koordynacyjne

)

  

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

Liczba wiązań chemicznych, jakie 

tworzy atom  - 

to 

wartościowość 

pierwiastka 

w danym związku 

chemicznym  

W stanie wolnym wartościowość 

pierwiastka wynosi 0;  

zależnie od rodzaju związku 

wartościowość tego samego 

pierwiastka może być różna  

Elektrony w cząsteczkach są opisywane za pomocą 

orbitali molekularnych

 

czyli 

cząsteczkowych

  

Orbitale molekularne powstają przez zbliżenie i „nałożenie” 

się orbitali atomowych o podobnych energiach i tej samej 

symetrii względem osi łączącej dwa jądra atomowe. 

 

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

 nakładających się   

wzdłuż osi  łączącej oba jądra 

atomowe

 

 

Boczne nakładanie

 się elektronów orbitali 

p

x

 lub 

p

z

 (oś y jest 

kierunkiem zbliżania się atomów) prowadzi do utworzenia 

wiążących i 

antywiążących orbitali cząsteczkowych 

 i 

*

 

 

Przestrzenny kształt 

wiążących orbitali molekularnych (cząsteczkowych)

*

  

* Autorzy:  J.Banaś, W. Solarski     Opracowanie edycyjne M.Oczko

  

Orbital molekularny 

 

wiązanie 

sigma

 

 

powstaje z: 

dwóch orbitali 

orbitali 

i 

dwóch orbitali 

p

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

Jeżeli cząsteczkę tworzą pierwiastki takie same 

lub niewiele różniące się elektroujemnością to 

wspólna para elektronowa

 

wiązania 

kowalencyjnego

  

jest rozmieszczona symetrycznie w przestrzeni 

między jądrami,  

np. w cząsteczkach H

2

, O

2

, Cl

2

, N

2

.   

Jeżeli tworzące cząsteczkę pierwiastki są niemetalami o różnej elektroujemności -                                        

wspólna para elektronowa

 

wiązania kowalencyjnego

  

jest przesunięta w kierunku jądra pierwiastka bardziej elektroujemnego  

 z powodu nierównomiernego rozkładu ładunku wiązanie takie jest  

wiązaniem kowalencyjnym spolaryzowanym

,  np

w cząsteczkach HCl, H

2

O, HBr.  

Takie cząsteczki mają budowę 

biegunową - polarną

 

 

są 

dipolami

 

o

 

cząstkowym 

ładunku

 

(+)

 

w pobliżu atomu o mniejszej elektroujemności

 

i

  

(-)

 

– w pobliżu atomu 

bardziej elektroujemnego.

 

 

+          

-    

Dipol jest układem dwóch różnoimiennych 

ładunków 

+ i 

-

 

umieszczonych w odległości l 

od siebie.  Charakteryzuje się momentem 

dipolowym 

, który jest wektorem o wartości 

bezwzględnej 

 = 

 

 l 

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

np. cząsteczka wody, HCl, HBr itp. :

  

Szczególnym przypadkiem wiązania kowalencyjnego jest  

wiązanie donorowo-akceptorowe (koordynacyjne, semipolarne)  

 

tworząca je para elektronowa pochodzi od jednego z atomów, zwanego 

donorem 

(dawcą) pary elektronowej; parę tę przyjmuje 

akceptor 

(biorca)  

Wiązanie koordynacyjne występuje np. w 

cząsteczkach

: SO

2

, CO, HNO

3

, H

2

SO

                                                           

jonach

: NH

4

+

 , SO

4

2-

,  

jonach kompleksowych

: [Cu(NH

3

)

4

]

2+

,  

K

3

[Fe(CN)

6

], [Fe(CNS)

6

]

3-

.

  

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

Przy  znacznej  r

óżnicy  elektroujemności  pierwiastków  (przynajmniej  o  1,7  w  skali  Paulinga),                                 

elektrony  walencyjne  jednego  z  atom

ów  mogą  być  tak  silnie  przyciągane  przez  drugi  atom  (bardziej 

elektroujemny), 

że zostaną „przechwycone” i obsadzają powłokę zewnętrzną tylko tego atomu.  

Powstaje 

wiązanie jonowe

 polegające na 

przyciąganiu elektrostatycznym 

różnoimiennie naładowanych jonów     

Takie 

wiązania jonowe

 

występują np. w 

cząsteczkach tworzonych przez atomy 

metali i niemetali, np. NaCl, KJ itp. 

Wówczas atom „przechwytujący” elektrony ma ich nadmiar i staje się  

jonem ujemnym (anionem),

  

zaś ten, oddający elektrony staje się 

jonem dodatnim (kationem).

  

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

W metalach i ich stopach występuje szczególny rodzaj wiązania,  

tzw.

 

wiązanie metaliczne

  

Jest to wiązanie pomiędzy tworzącymi sieć krystaliczną kationami metali i ich elektronami, które 

zajmują orbitale powłok walencyjnych wszystkich tworzących sieć atomów

  

Takie elektrony nazywa się

 

elektronami zdelokalizowanymi

   

Elektrony te poruszają się swobodnie pomiędzy dodatnimi 

elementami sieci,  tworząc tzw. ”gaz elektronowy” i  równoważą 

sumaryczny ładunek dodatni kationów. Dlatego metal jako 

całość jest elektrycznie obojętny

  

Wiązanie metaliczne nie jest ukierunkowane, tak jak wiązania kowalencyjne czy jonowe.

                         

Obecność swobodnych elektronów w metalach powoduje ich wysokie przewodnictwo elektryczne i 

cieplne oraz szereg innych charakterystycznych dla nich właściwości. 

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

Wytwarzanie wiązań kowalencyjnych w liczbie przewyższającej liczbę 

niesparowanych elektronów w atomie można wyjaśnić przyjmując, że powstanie 

wiązania poprzedza zmiana konfiguracji elektronowej atomu reagującego pierwiastka

  

Na przykład w atomie węgla zmiana ta polega na  „przejściu” (promocji) jednego elektronu z orbitalu 

2s  na niezapełniony orbital 2p, przy czym atom przechodzi ze 

stanu podstawowego

 w 

stan 

wzbudzony

 

uzyskując konfigurację elektronową: 

Przejściu elektronów z orbitalu 2s na orbital 2p towarzyszy „wymieszanie”  

i ujednolicenie orbitali, w wyniku czego powstają orbitale o 

jednakowej energii  

i kształcie

, czyli jednakowym przestrzennym rozłożeniu prawdopodobieństwa znalezienia 

elektronów. 

Te orbitale biorą udział w tworzeniu wiązań między atomami  

„Wymieszanie” orbitali atomowych 

w celu wytworzenia nowych 

nazywa się 

hybrydyzacją,

 a 

otrzymane w ten sposób orbitale 

noszą nazwę  

orbitali zhybrydyzowanych  

(

od słowa hybryda = mieszaniec) 

Hybrydyzacja 

jest operacją matematyczną  

(a nie zjawiskiem!)

 

polegającą na tym, że 

funkcje falowe  (orbitale atomowe

) opisujące 

elektrony r

óżnych podpowłok tej samej powłoki 

są przekształcane w funkcje falowe 

opisujące elektrony 

równocenne 

energetycznie i zajmujące równoważne 

geometrycznie obszary orbitalne  

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

Wymieszanie

” 

orbitalu s i trzech orbitali p

 

prowadzi do hybrydyzacji 

sp

3

   

i powstania  

czterech orbitali zhybrydyzowanych

 

sp

3

  

hybrydyzacja 

sp

2

 ma miejsce gdy 

następuje „wymieszanie” 

orbitalu s i 

dwóch orbitali p,

  

powstają  

 

trzy orbitale zhybrydyzowane 

sp

2

  

hybrydyzacja 

sp

  - to 

„wymieszanie” 

orbitalu s i 

orbitalu p, 

powstają

  

dwa orbitale zhybrydyzowane 

sp  

Orbitale zhybrydyzowane biorą udział w 

tworzeniu wiązań między atomami  

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

sp

2

  

wiązanie podwójne w etenie ( 

 + 

 ) – 

cząsteczka płaska  

sp

  

wiązanie potrójne w etynie ( 

 + 2 

 ) – 

cząsteczka liniowa

  

Rodzaj hybrydyzacji orbitali atomowych decyduje o kształcie cząsteczki i 

odwrotnie – znajomość budowy przestrzennej cząsteczek pozwala wnioskować o 

rodzaju hybrydyzacji orbitali atomu centralnego 

wiązanie pojedyncze ( 

)  w metanie - cząsteczka  

nieliniowa- czworościan regularny 

sp

3

 

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014 

background image

Obecne w atomie centralnym orbitale zajęte przez  

wolne pary elektronowe

                                               

(

nie biorą udziału w tworzeniu wiązania

)                                                                                                                            

powodują 

zaburzenie geometrii cząsteczki 

(

zmianę kątów pomiędzy wiązaniami)

,                                        

gdyż siła odpychania tych elektronów i elektronów wiązań 

 nie jest jednakowa 

Kształt cząsteczki wieloatomowej, czyli rozkład przestrzenny jąder atomów 

składowych, w zasadniczy sposób wpływa na właściwości chemiczne i fizyczne 

związku  

 

J.Szymońska KChiF UR, Kraków, 2013/2014