Większość pierwiastków oddziałuje ze sobą tworząc związki chemiczne

Związki chemiczne

mieszanina wodoru i tlenu

woda

spalanie

Typy wiązań chemicznych

CZĄSTECZKIHETEROJĄDROWE

wiązanie chemiczne

E-

E+

ΦΦΦΦA

P- = ΨΨΨΨ-2 = N2(ΦΦΦΦA

2 + ΦΦΦΦB2 - 2ΦΦΦΦAΦΦΦΦB)

P+ = ΨΨΨΨ+2 = N2(ΦΦΦΦA

2 + ΦΦΦΦB2 + 2ΦΦΦΦAΦΦΦΦB)

++

ΦΦΦΦA

+

+ -

-

ααααββββ

+ =

model Lewisa pary elektronowej

różnicowa mapa gęstościelektronowej dla H2

Zmiana energii potencjalnej w trakcie powstawania wiązania H2

- 436

0.74 odległość H-H (Å)

ener

gia

(kJ

/mo

l)

Edys

orbitale molekularnew cząsteczce LiH

(1sLi)2(σ)2

orbitale molekularnew cząsteczce HF

H-F:

::

CZĄSTECZKI HETEROJĄDROWE

++ <BAcc

−− >BAcc różnice energii jonizacji atomów

IA < IB

AB

ΨA

ϕ+

ΨB

ϕ-

ΨA

ϕ+

ΨB

ϕ-

BBAA

BBAA

cc

cc

Ψ−Ψ=

Ψ+Ψ=

−

+

ϕ

ϕ

Jeżeli A i B są jednakowe wówczas

cA2 = cB

2

cA2 + cB

2 = 1

Dwuatomowe cząsteczki heterojądrowe

PRZYBLIŻONE KRYTERIUM DOŚWIADCZALNE

przesunięcie ładunku – moment dipolowy

l

-e+e

l

-δδδδ+δδδδ

e . l µµµµ = δδδδ . l

Momenty dipolowe połączeń fluorowców z wodorem

Procentowy udział charakteru jonowego w wiązaniu [µµµµ /el)] 100%

1D = 3,338 ⋅10-30 Cm

ELEKTROUJEMNOŚĆ według PaulingaSkala dobrana tak aby różnica elektroujemności dwóch pierwiastków w cząsteczce dawała wartość momentu dipolowego w D

Energie wiązań cząsteczek dwuatomowych AB

DA-A

DB-B

DA-B

Im bardziej wiązanie kowalencyjnetym bardziej średnia geometryczna

0≈⋅−BBAAABDDD

∆=⋅−=−=∆ 1018.01018.0BBAAABBADDDxxx

xA i xB elektroujemności A i B

elektroujemność

Zdolność do przyciągania elektronu z pary wiążącej przez atom.

Są różne skale elektroujemności np. od 0.7 (Cs) do 4.0 (F).

Linus Pauling1901 – 1994

ELEKTROUJEMNOŚĆ wg. Allred i Rochow

Wykorzystanie koncepcji Slatera

744.0359.02

+−

=r

SZx

Z-S - efektywna liczba atomowa (S –stała ekranowania)

r - promień atomowy

Hannay i Smyth% charakter jonowy = 16|xA-xB| + 3.5|xA-xB|2

Zależność pomiędzy udziałem charakteru jonowego w wiązaniu a różnicą elektoujemności xA-xB

elektroujemność

Li-FSi-O

Na-Cl

Ca-S

Al-Al

Li-Li

Cu-Cu

C-C

C-H

C-O

F-F

Zn-S

C-N N-N

1

1

2

2

3

3

4

4

0

jonowe

jonowe

kowalencyjne

metaliczne

χχχχA

χχχχB

1.6

0.9

1.61.81.8

BeLi

Na

K

Rb

Cs

Fr

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

Sc

Y

La

Ac

Ti

Zr

Hf

V

Mo

W

Cr Mn

Tc

Re

Fe

Ru

Os

Co

Rh

Ir

Ni

Pd

Pt

Cu

Ag

Au

Zn

Cd

Hg

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf No

Er Tm Yb Lu

Es Fm Md

1.11.11.1

1.7

1.6

1.6

0.9

0.9

0.8

0.8

1.6

3.5

3.0

4.0

3.0

1.0

1.0

1.0

1.71.7

1.7

1.1

1.1

1.1

1.4

1.2

1.2

1.21.21.21.21.21.21.21.21.2

1.3

1.31.31.31.31.31.31.31.31.3

1.3

1.3

1.3

0.7

0.7

2.8

2.5

2.5

2.5

2.4

2.22.2 2.4

2.2

2.2

2.2

2.2

2.2

2.0

2.0

2.0

2.1

2.1

2.1

1.9

1.91.9

1.9

1.9

1.9 1.9 1.9

1.8

1.8

1.8

1.8

1.8

1.8

1.5

1.5

1.5

1.5 1.5

1.5

Al

Ga

In

Tl

Si

Ge

Sn

Pb

P

As

Sb

Bi

S

Se

Te

Po

Br

I

At

B

H

C

N

O

F

Cl

Nb

Ta

1.5

1A 2A 3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B 3A 4A 5A 6A 7A

χχχχA

elektroujemność a rodzaje wiązań

Czysto kowalencyjne

Kowalencyjne spolaryzowane

Jonowe

Różnica w elektroujemności

elektroujemność a polarność wiązań

w wiązaniu atomowym (kowalencyjnym) elektrony są dzielone pomiędzy oba atomy

podział ten nie musi być równocenny

nierówny podział elektronów

↓↓↓↓wiązania polarne

• Niepolarne wiązanie atomowe: pierwiastki mają podobną elektroujemność.

• Polarne wiązanie atomowe: pierwiastki mają podobne, ale różne wartości elektroujemności.

• Wiązanie jonowe: pierwiastki mają bardzo różne wartości elektroujemności.

Porównanie substancji o wiązaniu atomowym i jonowym

•Siły międzycząsteczkowe.

•Obecność jonów powoduje istnienie silnych

oddziaływań międzycząsteczkowych.

•Związki kowalencyjne mają słabsze

oddziaływania międzycząsteczkowe (np.

dyspersyjne, wodorowe).

Wiązania wielokrotne

Pomiędzy dwoma atomami może znajdować się więcej niż jedna para elektronowa:

1 para elektronowa = wiązanie pojedyncze (np. H2);

2 wspólne pary elektronowe = wiązanie podwójne (np. O2);

3 wspólne pary elektronowe = wiązanie potrójne (np. N2).

Im bardziej wielokrotne wiązanie tym krótsza długość wiązania.

H H O O N N

„siła wiązania” średnie entalpie wiązań kJmol-1

„pojedyncze”

„wielokrotne”

Wiązanie jonowe występuje np. w NaCl

Wiązanie jonowe a rozmiar jonów

• Im mniejsze jony tym silniejsze wiązanie jonowe

• Im bardziej naładowany jon tym silniejsze wiązanie jonowe

Rozmiary niektórych jonów

Inne typy oddziaływań

Siły międzycząsteczkowe

• Siły międzyczasteczkowego oddziaływania są słabsze niż wewnątrzcząsteczkowego oddziaływania (np. w HCl 16 kJ/mol oraz431 kJ/mol )

• Topienie lub parowanie substancji oznacza zrywanie wiązań międzycząsteczkowych (przemiany fizyczne a nie chemiczne)

Wiązanie wodorowe

• Odpowiada za:

– strukturę białek a właściwie:

• ich zawijanie.

• w DNA za transport

• informacji genetycznej

• wiązanie wodorowe odpowiada za pływanie lodu (zwykle ciała stałe mają większą gęstość niż ciecze)

• odpowiada również za bardzo wysoką temperaturę wrzenia wody (co związane jest ze zrywaniem tych wiązań)

Wiązania wodorowe w stałym (PPh4)2[Mo(CN)3O(pic)] 2H2O zaznaczone

kolorem fioletowym

Inne oddziaływania międzycząsteczkowe

Przyciąganie elementów o przeciwnych ładunkach (H+ i Cl-) oddziaływanie jon-jon - jest to najsilniejszy typ oddziaływań

Wiązanie kowalencyjne

(silne)

Przyciąganie międzycząsteczkowe

(słabe)

Słabszy typ oddziaływań to oddziaływanie jon - dipol

jeszcze słabsze oddziaływanie to oddziaływanie dipol-dipol

Przyciąganie

Odpychanie

Najsłabsze oddziaływania to tzw. oddziaływania dyspersyjne (Londona):

- dipol - dipol indukowany- dipol indukowany - dipol indukowany

Przykład - skraplanie He (bez oddziaływań dyspersyjnych byłoby niemożliwe)

numer okresu2 3 4 5

100

200

300

400

Tw/K

Ne

CH4

NH3

HF

H2O

H2S H2Se H2Te

HClAsH3

SbH3

PH3

HBr

HI

SiH4

GeH4

SnH4

ArKr

Xe

wiązania wodorowe/ oddziaływania dyspersyjne

Zależność temperatury wrzenia od położenia pierwiastka w grupie

wiązania chemiczne

kowalencyjne

jonowe

metaliczne

wodorowe

grafit

lód

Al

NaCl

Si

van der Waalsa

energia i charakter wiązań

rodzaj wiązaniaenergia (kJ/mol)

dyspersyjne

wiązanie wodorowe

jonowe

kowalencyjne

~ 1.0

~ 12 - 16

~ 50-100

~ 100-1000

metale

struktura metali

++++

++++

++++

++++

++++

++++

elektrony

swobodne

zręby

atomowe

Natural History Museum of Los Angeles County

struktury o najgęstszym upakowaniu

ciała homodesmiczne

właściwości metali

++

++

++

++

++

++

++

++

++

++

++

++

++++

++

++

++++

++++

++++

++++

+

stopy

plastyczność

spawy

temperatura topnienia /oC

Hg - 39In 157Cu 1084Cu/Sn 950Au 1064Fe 1536W 3422

Al2Cu

związki międzymetaliczne

- twardość zmienna od miękkich do b. twardych- temperatura topnienia zmienna w szerokim zakresie- b. dobre przewodniki elektryczności i ciepła- połysk lustrzany- kowalne

kowalencyjne ciała stałe

Si

model sieci

- bardzo twarde i trwałe- wysoka temperatura topnienia- dobre izolatory elektryczności i ciepła- nie absorbują światła (zazwyczaj)- siły kohezji większe (~10 eV) niż w ciałach jonowych

SiO2 1700 B 2300 BN 3000Cdiam 3530

temperatura topnienia /oC

jonowe ciała stałe

1 Ao

0,10,20,51

25

1050

501052

10,50,2

rozkład gęstości elektronowejw płaszczyźnie {100} NaCl

Na

Cl

Na+

Cl-

e-

wiele jonówprzyciąganie

kulombowskie

ciało o budowie jonowej są twarde i kruche

naprężenie

siłyodpychające

pęknięcie

+ ++ -- -

- twarde i kruche- złe przewodnictwo elektrycznie i cieplne- wysokie temperatury topnienia- przezroczyste w paśmie widzialnym (najczęściej)- silna absorpcja w IR- rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych

temperatura topnienia /oC

PbCl2 501NaCl 801Fe2O3 1594TiO2 1824

kryształy molekularne

temperatura topnienia /oC

C10H8 80I2 113CO(NH2)2 135C12H22O18 181

- miękkie- niskie temperatury topnienia- dobre izolatory elektryczności i ciepła

C60 bezkierunkowe wiązania dyspersyjne prowadzą do struktury najgęstszego upakowania

ciała heterodesmiczne

Fuleren (futbolan) C60

struktury heterodesmiczne

**

**O

O

T

T

kaolinit

MoS2

Mo Mo MoS

S

zdjęcie SEM kaolinitu

muskowit

O

O

T

T

T

T

-

- -

- -+++++

KAl2 [(OH)2|AlSi3O10]

Al4[Si4O10](OH)8

o właściwościach makroskopowych decyduje budowa na poziomie mikroskopowym (molekularnym)

i mezoskopowym

zeolit Xi miejsca lokalizacji

kationów

Bonds Between Atoms

Covalent

Ionic

Polyatomic Ions

Metallic

Molecular

Substance Polar

NonpolarCoordinate

Covalent

Network

Solids

is devoted to the publication of original contributions on forefront,

fundamental research at the interface of chemistry, chemical

engineering, and materials science. Both theoretical and

experimental studies which focus on the preparation or

understanding of materials with unusual or useful properties are

relevant.

www.acs.org