Kemijske veze

113 elemenata

u prirodi 90

sintetizirani

5 milijuna spojeva

Kemijske veze

• Atomi se meñusobno spajaju jer tako spojeni čine energetski stabilniji sustav

• Svoje veze ostvaruju preko vanjskih ili valentnih elektrona

• IONSKA, KOVALENTNA iMETALNA VEZA

IONSKA VEZA

• Povezuju se atomi metala koji imaju malu energiju ionizacije s atomima nemetala koji imaju veliki elektronski afinitet

• Metali 1. i 2. skupine i nemetali 17. i 16. skupine

elektronski afinitet raste ili opada veliki Ea

mali Ea

Ea

posta

je m

anje

neg

ativa

nenergija ionizacije raste

ene

rgija io

nizacije

raste

mala Ei

velika Ei

IONSKA VEZA

Nastanak NaCl iz natrija i klora u tri faze:

formiranje

ionske veze

3. električna potencijalna energija

1. energija

ionizacije

2. elektronski

afinitet

Promjena energije:

5.14 eV energija ionizacije-3.62 eV elektronski afinitet-6.10 eV Coulombova sila_______-4.58 eV

Ionski par Na+ i Cl- koji su se privukli je za 4.58 eV

siromašniji od atoma Na i Cl, dakle stabilniji

IONSKA VEZA

• Osloboñena potencijalna energija je važan faktor pri nastanku ionskog spoja jer ona nadoknadi energiju ionizacije i predstavlja ENERGIJU KRISTALNE REŠETKE.

• Energija kristalne rešetke je ona količina energije koja se oslobodi pri nastanku jednog mola kristala iz pojedinačnih beskonačno udaljenih iona u plinovitom stanju.

• E kristalne rešetke ovisi o polumjeru:polumjer manji → E krist. rešetke veća

• E kristalne rešetke ovisi o nabojuiona: naboj veći → E krist. rešetke veća

IONSKA VEZA

• veza izmeñu iona je električne prirode

• nije usmjerena u prostorujer električno polje djeluje oko cijelog iona

• svi ionski spojevi su kristalne prirode, zbijeno pakiranih struktura, visokog tališta i vrelišta

• lako su topljivi u vodi. Vodene otopine i talineprovode el. struju zbog postojanja slobodnih iona

Kristali

• kristal ima oblik• kutevi meñu plohama

kristala su konstantni• dijelovi nastali

kalanjem kristala imaju ravne površine konstantnih kuteva

• najmanja jedinica kristala je jedinična ili elementarna ćelija

Kristali

• Najčešće KUBIČNI SUSTAV

jednostavna

kubična

rešetka

pr. led, I2, kamfor,

dijamant...

prostorno

centrirana

kubična

rešetka

pr. Fe

plošno

centrirana

kubična

rešetka

pr. Cu, Ag...

Ionski kristali

• svaki kation okružen je odreñenim brojem aniona i obratno

• na okupu ih drže privlačne sile koje su jače što je naboj veći, a ion manji

• vrsta kristalne rešetke ovisi o veličini kationa i aniona, njihovim nabojima te stehiometriji

Na+, r = 95 pm

Cl-, r = 181 pm

Cs+, r = 169 pm

Cl-, r = 181 pm

Molekulski kristali

• strukturne jedinice su molekule

• na okupu ih drže slabe privlačne van der Waalsove sile

• sublimiraju• imaju niža tališta i

vrelišta od ionskih kristala

• pr: led, jod, kamfor

Kristalni sustavi elemenata u čvrstom stanju

KOVALENTNA VEZA

• Lewisova teorija: stvaranje zajedničkog elektronskog para izmeñu dvaju atoma. Zajednički el. par leži izmeñu dviju jezgara. Jednostavna teorija, ali ne objašnjava oblik ni magnetska svojstva molekula

H··H → H:H → H―H

KOVALENTNA VEZA

• Kvantnomehaničkateorija: preklapaju se valentne orbitale dvaju atoma sa po jednim elektronom suprotnog spina. Jakost veze ovisi o vrsti veze i iznosu preklapanja.

• σ – sigma veza• π – pi veza

σ - veza

• primarna

• elektronska gustoća najveća izmeñu jezgara

• simetrična

π - veza• sekundarna tj. nastaje nakon nastanka σ-veze kojom su se jezgre

približile• slabija od σ-veze jer je el. gustoća najveća iznad i ispod ravnine

jezgara• okomita na σ -vezu• pri kem. reakciji puca prije σ-veze. Slijedeća veza koja nastaje je

opet π-veza koja je okomita na σ-vezu i na prethodno nastalu π-vezu. Ima dva el. oblaka, iznad i ispod osi

• nije simetrična, ima oblik banane

Hibridne orbitale

• Teorija i oblik mnogih molekula može se objasniti pomoću teorije o hibridnim atomskim orbitalama.

• nastaju u istom atomu miješanjem atomskih orbitala bliske energije. To se dogaña pri nastanku kemijske veze jer hibridne orbitale nisu utvrñene kod izoliranih atoma.

• hibridizacija je prisutna kod većih atoma• miješanjem 2s i jedne 2p → dvije sp• miješanjem 2s i dvije 2p → tri sp2

• miješanjem 2s i tri 2p → četiri sp3

2s + 2p = sp hibrid

2s - 2p = sp hibrid

1s

orbitala

&

1p

orbitala

1s

orbitala

&

3p

orbitala

1s

orbitala

&

2p

orbitala

1s

orbitala

&

3p

orbitala

&

1d

orbitala

1s

orbitala

&

3p

orbitala

&

2d

orbitala

sp hibrid

sp2 hibrid

sp3 hibrid

dsp3 hibrid

d2sp3 hibrid

linearna

tetraedarska

oktaedarska

trigonalna bipiramidalna

trigonalna planarna

Hibridi

dijagram razine E za UGLJIK

premještanje 2s elektrona

stvaranje četiri hibridne sp3 orbitale

4 atoma

vodika

četiri hibridne sp3

orbitale formiraju

tetraedar

miješanje

sp3 i 1s

sve orbitale METANA

su jednake i imaju σ

simetriju

Hibridne orbitale

• svi organski spojevi nastaju preklapanjem hibridnih orbitala

KOVALENTNA VEZA

• kovalentna veza može nastati i da oba elektrona daje samo jedan atom

H+ + :NH3 → NH4+

• simetrija molekule ovisi o odbijanju orbitala s vezujućim elektronima i orbitala s nepodijeljenim elektronskim parom

Svojstva kovalentnih spojeva

• grade molekule koje imaju oblik i strukturu• kovalentna veza je usmjerena i kruta• izmeñu molekula postoje slabe privlačne sile pa su kovalentne tvari

plinovi ili tekućine. Ako su krutine imaju nisko talište i vrelište te lako sublimiraju (iznimke dijamant i kremen – atomska kristalna rešetka)

• slabo su topljivi u vodi

atom silicija

atom kisika

atom ugljika

kovalentna vezaKREMEN

DIJAMANT

Polarnost kovalentne veze

• dva istovrsna atoma kovalentno vezana ravnopravno dijele zajednički elektronski par.

H ― H ili Cl ― Clelektronska gustoća je podjednaka oko svakog atoma

• različiti atomi dijele zajednički elektronski par. H ― Cl ili H ― O ― H

tada jedan atom više sebi privlači zajednički el. par. Taj dio molekule ima veću el. gustoću, tj. ima djelomično negativni naboj.

δ+H ― Clδ-

kovalentna veza ima parcijalni ionski karakter

Elektronegativnost

• snaga kojom kovalentno vezani atom sebi privlači zajednički elektronski par

• L. Pauling eksperimentalno odredio koeficijente relativne elektronegativnosti atoma

• tako se kovalentno vezanim atomima odreñuju oksidacijski brojevi

Dipolnost molekule

• posljedica parcijalnog ionskog karaktera kovalentne veze može biti polarnost ili dipolnost molekule

• mjera za polarnost molekule je DIPOLNI MOMENT MOLEKULE, koje se odreñuje eksperimentalno

• molekula vode je najvažnija dipolna molekula

• dipolnost molekule vode temelj je otapanja ionskih spojeva

Dipol vs ne-dipol

• u molekuli sve kovalentne veze mogu imati parcijalni ionski karakter, a molekula ne mora biti dipol (CH4, CCl4, C6H6..)

• posljedica dipolnosti molekula su privlačne sile meñu njima, tzv. meñumolekulske privlačne sile

Meñumolekulske privlačne sile

1. Van der Waalsove privlačne sile

• dipolne molekule meñusobno se privlače suprotnim nabojima

• ti su spojevi teže taljivi i hlapljivi

• to je dipol-dipol privlačenje• dipolne molekule mogu

privlačiti i druge dipolne molekule, te ione (ion-dipolno privlačenje)

Meñumolekulske privlačne sile

2. Londonove privlačne sile

• javljaju se kod molekula koje nisu dipoli, a u uvjetima visokog tlaka i niske temperature mogu postati dipoli zbog trenutačne asimetrije elektronske gustoće

Meñumolekulske privlačne sile

3. Vodikova veza• javlja se izmeñu molekula u

kojima je vodik kovalentno vezan na vrlo mali i jako elektronegativan atom kao što su: F, O ili N

• elektrostatsko privlačenje, ali se posebno izučava jer je veza jača od Van der Waalsove

• molekule su asocirane• viša tališta i vrelišta od

analognih spojeva kod kojih nema vodikove veze

• jačina 1/10 σ-veze, duljina 2x σ-veze

molekulska težina

tem

pera

tura

(ºC

)

Slično se otapa u sličnom

Topljivost metanola u vodi:

• H veze u vodi i metanolu su slične po vrsti i jakosti, pa se mogu zamijeniti. Zbog toga je metanol topljiv u vodi, točnije voda i metanol se miješaju

Značaj vodikoveveze za vodu

• led pliva na vodi – vodikove veze su krute, zagrijavanjem one pucaju i molekule se mogu gusto složiti. Iznad +4ºC broj vodikovih veza opada, kao i gustoća

• visoko vrelište i talište u odnosu na analogne spojeve. Kad ne bi bilo te veze, vrelište vode bi bilo oko -80ºC

• može se reći da vodikova veza omogućuje život na Zemlji