Kémiai kötések

Kötéstípusok, elektronegativitás Kémiai kötések: atomok ill. atomcsoportok között kialakuló kapcsolatok, amelyek létrejöttével a rendszer stabilabb (alacsonyabb energiaszintű) állapotba jut. Elsőrendű kémiai kötések: azok a kötések, amelyek kialakulása során a kapcsolódó atomok vegyértékhéj-szerkezete megváltozik (ún. intramolekuláris kapcsolatok). Másodrendű kötések: azok a kötések, amelyek gyenge elektrosztatikus kölcsönhatás révén az anyagi halmazok részecskéi (molekulák ill. ionok) között alakulnak ki (ún. intramolekuláris kapcsolatok). Kötési energia: az adott típusú kémiai kötés felbontásához szükséges (vagy a kötés létrejöttekor felszabaduló) energia átlagos értéke, 1 mól anyagra viszonyítva.

Kötéstípusok Kötési energia kJ/mól Elsőrendű kémiai kötések: Ionkötés 80 – 800 Kovalens kötés Tiszta Datív Fémes Másodrendű kötések: Hidrogénkötés 8 – 40 van der Waals-féle kötés 0,8 – 12

Elektronegativitás (elektronvonzó képesség), EN: annak az erőnek a mértéke, amellyel egy atom a kémiai kötésben lévő elektronokat magához vonzani képes. A Pauling-féle EN skála alappontjai: a lítium EN-értéke 1,0 a fluor EN-értéke 4,0 A többi atom EN-értékét ezekhez viszonyítva állapították meg.

Az EN-érték a periódusos rendszerben: a periódusokon belül balról jobbra haladva nő a csoportokon belül felülről lefelé csökken

Az EN-i értékek kiszámítási módjai: Allred és Rochoev szerint: ahol Zeff az effektív magtöltés; r az atomsugár Az effektív magtöltés az atommagnak egyetlen vegyértékelektronra gyakorolt hatása, figyelembe véve, hogy az atommag töltésének egy részét a többi elektron leköti.

Mulliken szerint: ahol E1 az atomok ionizációs energiája; Ea az atom elektronaffinitás.

Az EN és a kötéstípus: a kötés jellegét a kapcsolódó atomok EN-értékeinek különbsége (∆EN), ill. összege (∑EN) határozza meg. ionkötés: ∆EN nagy (>2), ∑EN közepes (3,5 – 5,5) kovalens kötés: ∆EN kicsi (<2), ∑EN nagy (>4) fémes kötés: ∆EN kicsi (<1), ∑EN kicsi (<3,5)

KÖTÉSEK RÉSZLETEZÉSE: Ionkötés: Ellentétes töltésű ionok között elektronátadással kialakuló elsőrendű kémiai kötés. Az ionokat a kristályrácsban Coulomb-féle elektrosztatikus vonzóerők kapcsolják össze.

Kovalens kötés: Az atomok között egy vagy több közös elektronpárral kialakuló kötés. A kötést létesítő elektronpárok, a vegyértékhéjon leszakadó, de a kötésben részt nem vevő elektronpárok a nemkötő elektronpárok. (az elektronpárok jelölése az elektronképletben két pont, a szerkezeti képletben egy vonal)

Az itt fellépő jelenségek: Promóció: Az a folyamat, amely során a vegyértékhéjon lévő párosított elektronok energiaközlés hatására nagyobb energiájú atompályákra mennek át (kötés létrehozására képes párosítatlan elektronok alakulnak ki). Hibridizáció: Az a folyamat, amely során a vegyértékhéj atompályái úgy kombinálódnak, hogy az atompályák energiaszintjei azonossá válnak (az atompályákon egyenletes elektroneloszlás jön létre) (ábrára hivatkozás) Alapállapot: Az atom kiindulási (nem gerjesztett) elektron elhelyezkedési állapota.

A kovalens kötésnél fellépő 3 fenti állapot ábrázolása az alábbi HUND-féle jelöléssel:

A kötéskor molekulák ill. molekulapályák jönnek létre. Molekulapályák: Kettő vagy több atomhoz tartozó közös elektronok pályája, amelyek az atompályák átfedéséből alakulnak ki. A Pauli-elv molekulapályákra is érvényes (egy molekulapályán legfeljebb két, ellentétes töltésű elektron lehet).

A kovalens kötés szimmetriái 3 fajta kötési szimmetria ismert: a) szigma-( σ) kötés: a kötő elektronpár elektronsűrűsége a kötés tengelye mentén a legnagyobb. A σ- kötés s – s, s – px, px – px atompályák kapcsolódásával alakulhat ki.

b) pí- (π) kötés: a kötő elektronpár elektronsűrűsége a kötés tengelyére merőlegesen a legnagyobb. A π-kötés 2py, ill. 2pz atompálya kapcsolódásával alakulhatnak ki.

c) többszörös kovalens kötések: két atom között a kötést több elektronpár (2 vagy 3) hozza létre.

A kettős kötéseket két elektronpár hozza létre, az egyik egy σ-pályán, a másik egy π-pályán helyezkedik el. A hármas kötéseket mindig három elektronpár alkotja, amelyek közül az egyik σ-pályán van, a másik kettő π-pályán.

Delokalizált kötés: Delokalizált elektronok: a kettőnél több atomhoz tartozó kötőelektronok. Az általuk létrehozott kötést delokalizált kötésnek nevezzük.

Kötésrend, k: az a szám, amely megadja, hogy a molekulában a két atom közötti kovalens kötés az egyszeres kötésnek hányszorosa.

Kötéssűrűség (kötésfelszakítási energia), E: 1 mól molekulában két adott atom közötti kötés felszakításához szükséges energia. A kovalens kötés erőssége a kötések számának növekedésével nő.

Kötéstávolság, d: a két atommag közötti távolság a molekulában. A d értéke a kötések számának növekedésével csökken. Kötésszög: a kapcsolódó atomok kötései (az atommagot gondolatban összekötő egyenesek) által bezárt szög.

DATÍV KÖTÉS Datív (koordinációs) kötés: a kovalens kötés úgy létesül, hogy a kötő elektronpárt csak az egyik atom adja. pl.:

Datív kötés fajtái: Molekula – Ion datív kötés (NH4+) Atom – Atom datív kötés (CO) Molekula – Molekula (NH3

Kovalens molekulák térbeli felépítése Molekulák alakja: a kapcsolódó atomok térbeli elrendeződése. A kovalens kötésű molekulák alakját döntően a központi atom kötő és nemkötő elektronpárjainak száma és ezek aránya határozza meg. Központi atom: a kovalens kötésű molekulában a legtöbb kötő elektront tartalmazó atom, amelyhez a többi atom kapcsolódik. (A) Lígand (oldallánc) (B): a kapcsolódó atomok

Kötésszögre ható, az alakot befolyásoló tényezők: A nemkötő elektronpárok nagyobb térigénye a kötésszöget csökkenti; A delokalizálódott nemkötő elektronpárok a kötésszöget nem változtatják meg; A molekula alakját döntően a σ-kötések határozzák meg, a π-kötések a kötésszöget csak kismértékben módosítják; Azonos téralkat esetén a kötésszög csökken, ha a központi atom EN-értéke csökken, vagy ha a kapcsolódó atomoké nő.

A kötés, ill. a molekula POLARITÁSA és DIPÓLMOMENTUMA Kovalens kötés polaritása: a kötés apoláris, ha a kötő elektronpár a kapcsolódó két atomhoz egyenlő mértékben tartozik (a töltéseloszlás szimmetrikus); ellenkező esetben a kötés poláris. A kötés polaritását a kapcsolódó atomok elektronegativitásának különbsége (∆EN) alapján ítéljük meg.

Ha ∆EN=0, akkor a kötés apoláris Ha ∆EN>0, akkor a kötés poláris (a gyakorlatban apolárisnak tekinthető a kovalens kötés akkor, ha ∆EN<0) A molekula polaritását a kötések polaritásának irány és nagyság szerinti összege határozza meg. Egy molekula akkor poláris, ha benne poláris kötések vannak, és a molekula téralakja olyan, hogy a töltések nem szimmetrikusan oszlanak el. A molekula egyik része viszonylag negatív, a másik része viszonylag pozitív lesz.

A molekulák permanens dipólusmomentuma, μ: a polaritás mértékét jellemzi. A vektormennyiség iránya a pozitív töltéstől a negatív töltés felé mutat. Μ=el C*m

A FÉMES KÖTÉS Az elemek legnagyobb része fémes anyag. A fémek közös sajátságai a jó elektromos és hővezetés, és jellegzetes fémes fény és a kiváló alakíthatóság. Az elektronszerkezet szempontjából a fémekre jellemző, hogy atomjaik legkülső elektronhéján (vegyértékhéjon) kis számú, viszonylag lazán kötött elektronok vannak. Ez mutatkozik meg mind az ionizációs energia, mind az elektonegativitás értékeiben. A fématomok gázhalmazállapotban többnyire egyatomos formában vannak jelen. Szilárd állapotban (és folyadékokban) nincsenek különálló molekulák, sem szabad atomok, hanem a leglazábban kötött elektronok a fématomokról leszakadva valamennyi visszamaradt fémionhoz közösen tartoznak (tehát nem helyhez kötöttek). A fémben a részecskék közötti kapcsolatot az un. delokalizált (nem helyhez kötött) elektronrendszer teremti meg. Az ilyen kötést fémes kötésnek nevezzük. Szilárd állapotban a fémionok kristályrácsokba rendeződnek, és ez a fémrács.

MÁSODRENDŰ kötések Hidrogénkötés (hidrogénhíd) a molekulában kötött H-atom hozza létre a kötést egy másik molekula nagy elekronegativitású atomjával (F, N, O), vagyis egy hidrogénatom létesít kötést két másik atom között. (A kötés molekulán belül is kialakulhat, ekkor gyűrűképződés jön létre)

van der Waals-féle kötés: gyenge elektrosztatikus vonzóerőn alapuló és semleges atomok ill. molekulák között fellépő igen gyenge kötőerők.