Wszystko co powinieneś wiedzieć o wiązaniach jonowych i kowalencyjnych
Sonia Radosz Czym jest wiązanie chemiczne?
Wiązanie chemiczne to oddziaływanie elektronowe występujące pomiędzy atomami bądź jonami pierwiastków chemicznych .
Jak łączą się atomy?
Podczas tworzenia wiązań chemicznych atomy oddają, przyjmują lub uwspólniają elektrony walencyjne, gdyż dążą do zapełnienia powłoki walencyjnej ośmioma (reguła oktetu) lub dwoma (reguła dubletu) elektronami (przypadek atomów pierwiastków grup głównych – w bloku d i f reguła oktetu i dubletu nie obowiązuje).
Czym jest reguła oktetu i dubletu?
Atomy, tworząc wiązania chemiczne, dążą do uzyskania trwałej konfiguracji walencyjnej atomu najbliższego gazu szlachetnego (helowca) w układzie okresowym pierwiastków chemicznych.
Jaką rolę odgrywa elektroujemność w tworzeniu wiązań chemicznych?
Różnica elektroujemności (ΔE, w skali Paulinga) oddziałujących ze sobą atomów podpowiada jaki jest rodzaj utworzonego między nimi, wiązania chemicznego, czyli mówi nam o tym jakiego typu wiązania możemy się spodziewać w danym związku chemicznym, czy będzie to wiązanie kowalencyjne, czy jonowe, czy może kowalencyjnie spolaryzowane. Tak więc jeżeli między atomami tworzącymi dany związek chemiczny różnica elektroujemności ΔE przyjmuje zazwyczaj* wartości:
- ΔE < 0,4, to mówimy o wiązaniu kowalencyjnym,
- ΔE > 1,7, to mówimy o wiązaniu jonowym,
- od 0,4 do 1,7 to mówimy o wiązaniu kowalencyjnie spolaryzowanym.
*podane zakresy są poglądowe, nie zawsze określenie typu wiązania jest zgodne z wartością różnicy elektroujemności
Co to wiązanie kowalencyjne?
Wiązanie kowalencyjne (atomowe) to wiązanie chemiczne polegające na połączeniu dwóch atomów w wyniku utworzenia wspólnej pary elektronów. Uwspólnione elektrony pochodzą od każdego z łączących się atomów NIEMETALI. Atomy uzyskują trwałe konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków 18 grupy UO (Układu okresowego pierwiastków chemicznych) na skutek uwspólniania odpowiedniej liczby elektronów. Chmura uwspólnionych elektronów jest rozłożona symetrycznie pomiędzy jądrami łączących się atomów.
Wiązanie kowalencyjne (atomowe) przykłady:
Wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane występuje w cząsteczkach typu X2 (H2, N2, Cl2, O2 itp.) oraz np. CS2 i PH3, CH4.
Na przykładzie cząsteczki wodoru (różnica elektroujemności pomiędzy tymi samymi atomami wynosi zero):
Atomy wodoru posiadają po jednym niesparowanym elektronie na orbitalu 1s. Tworząc cząsteczkę wodoru H2, tworzą wiązanie kowalencyjne, oba atomy wodoru mogą „cieszyć się” dwoma elektronami, które są wspólne i znajdują się na orbitalu wiążącym (ss) – powstałym na skutek nałożenia się orbitali 1s atomów wodoru.
Wiązanie kowalencyjnie spolaryzowane
Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane to wiązanie kowalencyjne, w którym para uwspólnionych elektronów jest przesunięta w kierunku jądra atomu o większej wartości elektroujemności. Chmura elektronowa oddziałujących ze sobą atomów (zazwyczaj) NIEMETALI jest przyciągana mocniej przez atom bardziej elektroujemny, co powoduje niesymetryczny rozkład ładunku w cząsteczce i powstanie ładunków cząstkowych dodatnich (δ+) i ujemnych (δ–).
Wiele cząsteczek, w których atomy są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi spolaryzowanymi to dipole elektryczne, czyli cząsteczki polarne. Dipol elektryczny to układ dwóch różnoimiennych ładunków cząstkowych umieszczonych w pewnej odległości od siebie. W cząsteczce polarnej można wyróżnić biegun dodatni w pobliżu atomu o niższej wartości elektroujemności (δ+) oraz biegun ujemny (δ–) w pobliżu atomu o wyższej wartości elektroujemności.
Wiązanie kowalencyjnie spolaryzowane przykłady:
Najpopularniejszy przykład związku chemicznego, w którym występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane, to woda – elektroujemność atomu tlenu wynosi 3,4, natomiast atomu wodoru 2,2. Różnica wartości elektroujemności tych dwóch atomów wynosi ΔE = 1,2, przez co możemy skategoryzować to wiązanie jako kowalencyjne spolaryzowane. Chmura elektronowa jest przesunięta w kierunku atomu tlenu, ponieważ to on posiada wyższą wartość elektroujemności i to ten atom będzie tworzył biegun ujemny dipola elektrycznego. Biegun dodatni będą tworzyły atomy wodoru. Niezerowa wartość momentu dipolowego dla cząsteczki wody stanowi jeden z dowodów jej kątowej budowy.
Inne ważne przykłady cząsteczek w których występuje wiązanie kowalencyjnie spolaryzowane to CO2, BeCl2 , AlCl3 HCl, H2SO4, SO2.
W cząsteczce CO2, w której również występują wiązania kowalencyjnie spolaryzowane, wartość momentu dipolowego wynosi zero, co jest wynikiem tego, że cząsteczka ta ma budowę liniową. Należy zatem zapamiętać, że nie każda cząsteczka w której występują wiązania kowalencyjnie spolaryzowane jest dipolem elektrycznym.
Wiązanie jonowe
Wiązanie jonowe to rodzaj oddziaływania chemicznego, które powstaje w wyniku elektrostatycznego przyciągania się jonów o przeciwnych znakach. Powstaje ono zazwyczaj między atomami metali I i II grupy (z wyjątkiem berylu) oraz jonem NH4+, a atomami niemetali, a więc atomami pierwiastków znacząco różniących się wartością elektroujemności.
Podczas powstawania wiązania jonowego atomy metali oddają elektrony, tworząc kationy. Natomiast atomy niemetali przyjmują elektrony tworząc aniony. W ten sposób powstaje sieć krystaliczna (związki chemiczne z wiązaniami jonowymi NIE tworzą cząsteczek, są to tak zwane kryształy jonowe). Jony o przeciwnych ładunkach przyciągają się siłami elektrostatycznymi.
Wiązanie jonowe przykłady:
Przykłady związków w których występuje wiązanie jonowe:
- NaCl – W przypadku chlorku sodu na jeden kation sodu Na+ przypada jeden anion chlorkowy Cl−. Wzór sumaryczny tego związku to NaCl, zapis: Na+ Cl− podkreśla, że związek ten jest złożony z jonów.
- MgCl2 – W przypadku chlorku magnezu na jeden kation magnezu Mg2+ przypadają dwa aniony chlorkowe Cl−. Wzór sumaryczny tego związku to MgCl2.
- CaCl2 – W przypadku chlorku wapnia , tak jak we wcześniejszym przypadku, na jeden kation wapnia Ca2+ przypadają dwa aniony chlorkowe Cl−. Wzór sumaryczny tego związku to CaCl2.
Wiązania jonowe występują ponadto w nadtlenkach metali (np. Na2O2), w ponadtlenkach metali (np. KO2), w tlenkach metali (np. CaO), w wodorkach metali I i II grupy UO (oprócz wodorku berylu i magnezu, np. LiH), w wodorotlenkach (np. NaOH), w solach, wodorosolach, hydroksosolach (np. NaNO3).
Zadania
Zadanie 1.
Procentowy udział charakteru w wiązaniu opisuje równanie:
% charakter = 16∙|x2 –x1| + 3,5∙| x2 –x1|2,
gdzie x1 oraz x2 oznaczają elektroujemności pierwiastków tworzących wiązanie.
Oblicz procentowy udział jonowego charakteru wiązania w związku NaBr.
Rozwiązanie:
Z tablic maturalnych spisujemy wartości elektroujemności w skali Paulinga (E) interesujących nas pierwiastków:
ENa = 0,9
EBr= 3,0
a następnie podstawiamy je do wzoru podanego w zadaniu, z zaznaczeniem że interesuje nas wartość bezwzględna różnic pomiędzy wartościami elektroujemności danych pierwiastków chemicznych.
% charakter = 16∙|x2 –x1| + 3,5∙| x2 –x1|2 = 16∙|3,0–0,9| + 3,5∙| 3,0–0,9|2 = 33,6 +15,44 = 49%
Odpowiedź:
Procentowy udział charakteru jonowego wiązania w NaBr wynosi 49%.
Zadanie 2.
Dwie substancje, oznaczone umownie A i B, tworzą białe kryształy, które dobrze rozpuszczają się w wodzie. Wodny roztwór substancji A, w przeciwieństwie do wodnego roztworu substancji B, charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym. Dodatkowo, wiadomo że temperatura topnienia substancji A, przy ciśnieniu atmosferycznym, przekracza 800oC, natomiast temperatura topnienia substancji B jest niższa niż 150oC.
Jakie rodzaje kryształów (metaliczne, jonowe, kowalencyjne, molekularne) tworzą badane substancje?
Rozwiązanie:
Zadanie rozwiązujemy w oparciu o charakterystykę kryształów. Opis substancji A – dobre przewodnictwo elektryczne w roztworze wodnym, sugerujące budowę jonową lub polarną, a także wysoka temperatura topnienia zbiorczo sugerują, że substancja ta tworzy kryształy jonowe. Substancja B jest substancją dobrze rozpuszczalną w wodzie, ale nie przewodzi prądu elektrycznego, co świadczy o tym, że nie dysocjuje ona w wodzie, a dodatkowo charakteryzuje się ona niską temperaturą topnienia, co wskazuje na kryształy molekularne.
Odpowiedź:
Substancja A tworzy kryształy jonowe, natomiast substancja B tworzy kryształy molekularne.
Więcej o wiązaniach, polarności, momencie dipolowym i hybrydyzacji dowiesz się w 1. części kursu (poziom od podstaw lub zaawansowany)
