Քիմիական կապ. սահմանումը, տեսակները, դասակարգումը և սահմանման առանձնահատկությունները

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Քիմիական կապ հասկացությունը փոքր նշանակություն չունի քիմիայի տարբեր ոլորտներում՝ որպես գիտություն: Դա պայմանավորված է նրանով, որ հենց դրա օգնությամբ են առանձին ատոմները կարողանում միանալ մոլեկուլների՝ առաջացնելով բոլոր տեսակի նյութեր, որոնք էլ իրենց հերթին քիմիական հետազոտության առարկա են։

Ատոմների և մոլեկուլների բազմազանությունը կապված է նրանց միջև տարբեր տեսակի կապերի առաջացման հետ: Տարբեր դասերի մոլեկուլները բնութագրվում են էլեկտրոնների բաշխման իրենց առանձնահատկություններով, հետևաբար՝ կապերի իրենց տեսակներով:

Հիմնական հասկացություններ

Քիմիական կապը փոխազդեցությունների մի շարք է, որը հանգեցնում է ատոմների միացմանը՝ առաջացնելով ավելի բարդ կառուցվածքի կայուն մասնիկներ (մոլեկուլներ, իոններ, ռադիկալներ), ինչպես նաև ագրեգատներ (բյուրեղներ, բաժակներ և այլն)։ Այս փոխազդեցությունների բնույթն իր բնույթով էլեկտրական է, և դրանք առաջանում են մոտեցող ատոմներում վալենտային էլեկտրոնների բաշխման ժամանակ։

Վալենտություն սովորաբար կոչվում է ատոմի կարողություն՝ որոշակի քանակությամբ կապեր ստեղծելու այլ ատոմների հետ։ Իոնային միացություններում տրված կամ կցված էլեկտրոնների թիվը ընդունվում է որպես վալենտության արժեք։ ATկովալենտային միացություններում այն հավասար է ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերի թվին։

Օքսիդացման վիճակը հասկացվում է որպես պայմանական լիցք, որը կարող է լինել ատոմի վրա, եթե բոլոր բևեռային կովալենտային կապերը իոնային լինեին:

Կապի բազմակիությունը դիտարկված ատոմների միջև ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերի թիվն է:

Քիմիայի տարբեր ճյուղերում դիտարկվող կապերը կարելի է բաժանել երկու տեսակի քիմիական կապերի.

Հաղորդակցման հիմնական բնութագրերը

Կապող էներգիան այն էներգիան է, որն անհրաժեշտ է մոլեկուլում առկա բոլոր կապերը կոտրելու համար: Դա նաև կապի ձևավորման ընթացքում թողարկված էներգիան է:

Կապի երկարությունը մոլեկուլում ատոմների հարակից միջուկների միջև եղած հեռավորությունն է, որի ժամանակ ձգող և վանող ուժերը հավասարակշռված են:

Ատոմների քիմիական կապի այս երկու բնութագրերը նրա ուժի չափն են. որքան կարճ է երկարությունը և որքան մեծ է էներգիան, այնքան ավելի ամուր է կապը:

Կապի անկյուն սովորաբար կոչվում է ատոմների միջուկներով կապվելու ուղղությամբ անցնող ներկայացված գծերի միջև ընկած անկյուն:

Հղումներ նկարագրելու մեթոդներ

Քիմիական կապը բացատրելու ամենատարածված երկու մոտեցումները՝ փոխառված քվանտային մեխանիկայից.

Մոլեկուլային օրբիտալների մեթոդ. Նա մոլեկուլը դիտարկում է որպես ատոմների էլեկտրոնների և միջուկների ամբողջություն, որտեղ յուրաքանչյուր առանձին էլեկտրոն շարժվում է մնացած բոլոր էլեկտրոնների և միջուկների գործողության դաշտում։Մոլեկուլն ունի ուղեծրային կառուցվածք, և նրա բոլոր էլեկտրոնները բաշխված են այս ուղեծրերի երկայնքով։ Նաև այս մեթոդը կոչվում է MO LCAO, որը նշանակում է «մոլեկուլային օրբիտալ՝ ատոմային ուղեծրերի գծային համակցություն»:

Վալենտական կապերի մեթոդ. Ներկայացնում է մոլեկուլը որպես երկու կենտրոնական մոլեկուլային ուղեծրերի համակարգ։ Ընդ որում, նրանցից յուրաքանչյուրին համապատասխանում է մոլեկուլում երկու հարակից ատոմների մեկ կապը։ Մեթոդը հիմնված է հետևյալ դրույթների վրա՝

1. Քիմիական կապի ձևավորումն իրականացվում է հակադիր սպիններով զույգ էլեկտրոնների միջոցով, որոնք գտնվում են դիտարկվող երկու ատոմների միջև։ Ձևավորված էլեկտրոնային զույգը հավասարապես պատկանում է երկու ատոմների։
2. Այս կամ այն ատոմի կողմից առաջացած կապերի թիվը հավասար է գետնին և գրգռված վիճակում գտնվող չզույգացված էլեկտրոնների թվին:
3. Եթե էլեկտրոնների զույգերը չեն մասնակցում կապի ձևավորմանը, ապա դրանք կոչվում են միայնակ զույգեր։

էլեկտրբացասականություն

Հնարավոր է որոշել նյութերի քիմիական կապի տեսակը՝ հիմնվելով դրա բաղկացուցիչ ատոմների էլեկտրաբացասական արժեքների տարբերության վրա: Էլեկտրոնեգատիվությունը հասկացվում է որպես ատոմների ընդհանուր էլեկտրոնային զույգեր (էլեկտրոնային ամպ) ներգրավելու ունակություն, ինչը հանգեցնում է կապի բևեռացման:

Քիմիական տարրերի էլեկտրաբացասականության արժեքները որոշելու տարբեր եղանակներ կան: Այնուամենայնիվ, առավել հաճախ օգտագործվում է թերմոդինամիկական տվյալների վրա հիմնված սանդղակը, որն առաջարկվել է դեռևս 1932 թվականին Լ. Փոլինգի կողմից:

Որքան մեծ է ատոմների էլեկտրաբացասականության տարբերությունը, այնքան ավելի արտահայտված է նրա իոնականությունը: Ընդհակառակը, էլեկտրաբացասականության հավասար կամ մոտ արժեքները ցույց են տալիս կապի կովալենտային բնույթը: Այլ կերպ ասած, հնարավոր է մաթեմատիկորեն որոշել, թե որ քիմիական կապն է նկատվում կոնկրետ մոլեկուլում։ Դա անելու համար անհրաժեշտ է հաշվարկել ΔX - ատոմների էլեկտրաբացասականության տարբերությունն ըստ բանաձևի՝ ΔX=|X ₁ -X ₂ |.

• Եթե ΔХ>1, 7, ապա կապը իոնային է։
• Եթե 0,5≦ΔХ≦1,7, ապա կովալենտային կապը բևեռային է:
• Եթե ΔХ=0 կամ մոտ է դրան, ապա կապը կովալենտային ոչ բևեռային է։

Իոնային կապ

Իոնական այնպիսի կապ է, որն առաջանում է իոնների միջև կամ ատոմներից մեկի կողմից ընդհանուր էլեկտրոնային զույգի ամբողջական դուրսբերման պատճառով։ Նյութերում քիմիական կապի այս տեսակն իրականացվում է էլեկտրաստատիկ ձգողականության ուժերով։

Իոնները լիցքավորված մասնիկներ են, որոնք առաջանում են ատոմներից էլեկտրոնների կուտակման կամ կորստի արդյունքում: Երբ ատոմն ընդունում է էլեկտրոններ, այն ստանում է բացասական լիցք և դառնում անիոն։ Եթե ատոմը տալիս է վալենտային էլեկտրոններ, այն դառնում է դրական լիցքավորված մասնիկ, որը կոչվում է կատիոն։

Բնորոշ է տիպիկ մետաղների ատոմների փոխազդեցությունից առաջացած միացություններին բնորոշ ոչ մետաղների ատոմների հետ։ Այս գործընթացի գլխավորը ատոմների ձգտումն է՝ ձեռք բերել կայուն էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիաներ։ Եվ դրա համար բնորոշ մետաղներին և ոչ մետաղներին անհրաժեշտ է տալ կամ ընդունել ընդամենը 1-2 էլեկտրոն,ինչը նրանք անում են հեշտությամբ։

Մոլեկուլում իոնային քիմիական կապի ձևավորման մեխանիզմը ավանդաբար դիտարկվում է նատրիումի և քլորի փոխազդեցության օրինակով: Ալկալիական մետաղների ատոմները հեշտությամբ նվիրաբերում են էլեկտրոն, որը քաշվում է հալոգենի ատոմի կողմից: Արդյունքը Na⁺ կատիոնն է և Cl^- անիոնը, որոնք միասին են պահվում էլեկտրաստատիկ ձգողականությամբ:

Չկա իդեալական իոնային կապ: Նույնիսկ այնպիսի միացություններում, որոնք հաճախ կոչվում են իոնային, էլեկտրոնների վերջնական փոխանցումը ատոմից ատոմ տեղի չի ունենում։ Ձևավորված էլեկտրոնային զույգը դեռևս մնում է ընդհանուր օգտագործման մեջ։ Ուստի խոսում են կովալենտային կապի իոնականության աստիճանի մասին։

Իոնային կապը բնութագրվում է միմյանց հետ կապված երկու հիմնական հատկություններով.

• ոչ ուղղորդված, այսինքն՝ իոնի շուրջ էլեկտրական դաշտն ունի գնդիկի ձև;
• Չհագեցվածությունը, այսինքն՝ հակառակ լիցքավորված իոնների թիվը, որոնք կարող են տեղակայվել ցանկացած իոնի շուրջ, որոշվում է դրանց չափով:

Կովալենտ քիմիական կապ

Ոչ մետաղների ատոմների էլեկտրոնային ամպերի համընկնման ժամանակ առաջացած կապը, այսինքն՝ իրականացվում է ընդհանուր էլեկտրոնային զույգով, կոչվում է կովալենտային կապ։ Էլեկտրոնների ընդհանուր զույգերի թիվը որոշում է կապի բազմակիությունը։ Այսպիսով, ջրածնի ատոմները կապված են մեկ H··H կապով, իսկ թթվածնի ատոմները կազմում են կրկնակի կապ O::O.

Կա դրա ձևավորման երկու մեխանիզմ՝

• Փոխանակում - յուրաքանչյուր ատոմ ներկայացնում է մեկ էլեկտրոն ընդհանուր զույգի ձևավորման համար՝ A +B=A: B, մինչդեռ կապը ներառում է արտաքին ատոմային օրբիտալներ, որոնց վրա գտնվում է մեկ էլեկտրոն:
• Դոնոր-ընդունիչ - կապ ստեղծելու համար ատոմներից մեկը (դոնոր) ապահովում է զույգ էլեկտրոն, իսկ երկրորդը (ընդունող)՝ ազատ ուղեծիր՝ դրա տեղադրման համար՝ A +:B=A:B։

Էլեկտրոնային ամպերի համընկնման եղանակները, երբ ձևավորվում է կովալենտ քիմիական կապ, նույնպես տարբեր են։

1. Ուղիղ. Ամպերի համընկնման շրջանը գտնվում է դիտարկված ատոմների միջուկները միացնող ուղիղ երևակայական գծի վրա: Այս դեպքում առաջանում են σ-կապեր։ Այս դեպքում առաջացող քիմիական կապի տեսակը կախված է համընկնման ենթարկվող էլեկտրոնային ամպերի տեսակից՝ s-s, s-p, p-p, s-d կամ p-d σ-կապեր: Մասնիկում (մոլեկուլ կամ իոն) միայն մեկ σ-կապ կարող է առաջանալ երկու հարևան ատոմների միջև:
2. Կողք. Այն իրականացվում է ատոմների միջուկները միացնող գծի երկու կողմերում։ Այսպես է գոյանում π-կապը, հնարավոր են նաև դրա տարատեսակները՝ p-p, p-d, d-d։ Ս-կապից անջատված, π-կապը երբեք չի ձևավորվում, այն կարող է լինել բազմաթիվ (կրկնակի և եռակի) կապեր պարունակող մոլեկուլներում:

Կովալենտ կապի հատկություններ

Նրանք որոշում են միացությունների քիմիական և ֆիզիկական բնութագրերը: Նյութերի մեջ ցանկացած քիմիական կապի հիմնական հատկություններն են դրա ուղղորդվածությունը, բևեռականությունը և բևեռացումը, ինչպես նաև հագեցվածությունը:

Կապի ուղղորդվածությունը որոշում է մոլեկուլի առանձնահատկություններընյութերի կառուցվածքը և դրանց մոլեկուլների երկրաչափական ձևը։ Դրա էությունը կայանում է նրանում, որ էլեկտրոնային ամպերի լավագույն համընկնումը հնարավոր է տիեզերքում որոշակի կողմնորոշմամբ: Σ- և π-կապերի ձևավորման տարբերակներն արդեն քննարկվել են վերևում:

Հագեցվածությունը հասկացվում է որպես մոլեկուլում որոշակի քանակությամբ քիմիական կապեր ստեղծելու ատոմների կարողություն: Յուրաքանչյուր ատոմի համար կովալենտային կապերի քանակը սահմանափակված է արտաքին ուղեծրերի քանակով։

Կապի բևեռականությունը կախված է ատոմների էլեկտրաբացասական արժեքների տարբերությունից: Այն որոշում է ատոմների միջուկների միջև էլեկտրոնների բաշխման միատեսակությունը։ Այս հիմքի վրա կովալենտային կապը կարող է լինել բևեռային կամ ոչ բևեռային:

• Եթե ընդհանուր էլեկտրոնային զույգը հավասարապես պատկանում է ատոմներից յուրաքանչյուրին և գտնվում է նրանց միջուկներից նույն հեռավորության վրա, ապա կովալենտային կապը ոչ բևեռ է:
• Եթե էլեկտրոնների ընդհանուր զույգը տեղափոխվում է ատոմներից մեկի միջուկ, ապա ձևավորվում է կովալենտ բևեռային քիմիական կապ։

Բևեռացումն արտահայտվում է արտաքին էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ կապի էլեկտրոնների տեղաշարժով, որոնք կարող են պատկանել մեկ այլ մասնիկի, նույն մոլեկուլի հարևան կապերին կամ առաջանալ էլեկտրամագնիսական դաշտերի արտաքին աղբյուրներից: Այսպիսով, դրանց ազդեցության տակ գտնվող կովալենտային կապը կարող է փոխել իր բևեռականությունը:

Օրբիտալների հիբրիդացման ներքո հասկանալ դրանց ձևերի փոփոխությունը քիմիական կապի իրականացման մեջ: Սա անհրաժեշտ է ամենաարդյունավետ համընկնմանը հասնելու համար: Կան հիբրիդացման հետևյալ տեսակները՝

• sp³. Մեկ s- և երեք p- ուղեծրերը կազմում են չորսՆույն ձևի «հիբրիդային» ուղեծրեր. Արտաքնապես այն նման է քառաեդրոնի, որի առանցքների միջև անկյունը 109 ° է:
• sp². Մեկ s- և երկու p- ուղեծրերը կազմում են հարթ եռանկյունի, որի առանցքների միջև անկյունը 120° է:
• sp. Մեկ s- և մեկ p- ուղեծրերը կազմում են երկու «հիբրիդային» ուղեծրեր, որոնց առանցքների միջև անկյունը 180° է:

Մետաղական կապ

Մետաղների ատոմների կառուցվածքի առանձնահատկությունը բավականին մեծ շառավիղն է և փոքր թվով էլեկտրոնների առկայությունը արտաքին ուղեծրերում։ Արդյունքում, նման քիմիական տարրերում միջուկի և վալենտային էլեկտրոնների միջև կապը համեմատաբար թույլ է և հեշտությամբ կոտրվում է։

Մետաղական կապը մետաղի ատոմ-իոնների նման փոխազդեցությունն է, որն իրականացվում է տեղայնացված էլեկտրոնների օգնությամբ։

Մետաղական մասնիկների մեջ վալենտային էլեկտրոնները կարող են հեշտությամբ հեռանալ արտաքին ուղեծրերից, ինչպես նաև ազատ տեղեր զբաղեցնել դրանց վրա։ Այսպիսով, տարբեր ժամանակներում նույն մասնիկը կարող է լինել ատոմ և իոն: Դրանցից պոկված էլեկտրոնները ազատորեն շարժվում են բյուրեղային ցանցի ողջ ծավալով և քիմիական կապ են իրականացնում։

Այս տեսակի կապը նմանություն ունի իոնային և կովալենտային: Ինչպես նաև իոնային, իոններն անհրաժեշտ են մետաղական կապի գոյության համար։ Բայց եթե առաջին դեպքում էլեկտրաստատիկ փոխազդեցության իրականացման համար անհրաժեշտ են կատիոններ և անիոններ, ապա երկրորդում բացասական լիցքավորված մասնիկների դերը խաղում են էլեկտրոնները։ Եթե համեմատենք մետաղական կապը կովալենտային կապի հետ, ապա երկուսի առաջացումը պահանջում է ընդհանուր էլեկտրոններ։ Այնուամենայնիվ, մեջԻ տարբերություն բևեռային քիմիական կապի, դրանք տեղայնացված չեն երկու ատոմների միջև, այլ պատկանում են բյուրեղային ցանցի բոլոր մետաղական մասնիկներին:

Մետաղական կապերը պատասխանատու են գրեթե բոլոր մետաղների հատուկ հատկությունների համար.

• պլաստիկություն, առկա է էլեկտրոնային գազի կողմից պահվող բյուրեղային ցանցում ատոմների շերտերի տեղաշարժման հնարավորության պատճառով;
• մետաղական փայլ, որը նկատվում է էլեկտրոններից լույսի ճառագայթների անդրադարձման շնորհիվ (փոշու վիճակում չկա բյուրեղային ցանց, հետևաբար, էլեկտրոնները շարժվում են դրա երկայնքով);
• էլեկտրական հաղորդունակություն, որն իրականացվում է լիցքավորված մասնիկների հոսքով, և այս դեպքում փոքր էլեկտրոնները ազատորեն շարժվում են խոշոր մետաղական իոնների միջով;
• ջերմային հաղորդունակություն, նկատվել է էլեկտրոնների ջերմություն փոխանցելու ունակության շնորհիվ։

Ջրածնային կապ

Քիմիական կապի այս տեսակը երբեմն անվանում են միջանկյալ կովալենտային և միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների միջև: Եթե ջրածնի ատոմը կապ ունի խիստ էլեկտրաբացասական տարրերից մեկի հետ (ինչպիսիք են ֆոսֆորը, թթվածինը, քլորը, ազոտը), ապա այն ի վիճակի է ստեղծել լրացուցիչ կապ, որը կոչվում է ջրածին:

:

Այն շատ ավելի թույլ է, քան վերը թվարկված կապերի բոլոր տեսակները (էներգիան 40 կՋ/մոլից ոչ ավելի է), բայց չի կարելի անտեսել: Ահա թե ինչու ջրածնային քիմիական կապը դիագրամում նման է կետագծի։

Ջրածնային կապի առաջացումը հնարավոր է միաժամանակ դոնոր-ընդունիչ էլեկտրաստատիկ փոխազդեցության շնորհիվ: Արժեքների մեծ տարբերությունէլեկտրաբացասականությունը հանգեցնում է O, N, F և այլ ատոմների վրա ավելորդ էլեկտրոնային խտության առաջացմանը, ինչպես նաև ջրածնի ատոմի վրա դրա բացակայությանը։ Այն դեպքում, երբ այդպիսի ատոմների միջև գոյություն չունի քիմիական կապ, գրավիչ ուժերը ակտիվանում են, եթե դրանք բավական մոտ են: Այս դեպքում պրոտոնը էլեկտրոնային զույգ ընդունող է, իսկ երկրորդ ատոմը՝ դոնոր։

Ջրածնային կապը կարող է առաջանալ ինչպես հարևան մոլեկուլների, օրինակ՝ ջրի, կարբոքսիլաթթուների, սպիրտների, ամոնիակի և մոլեկուլի ներսում, օրինակ՝ սալիցիլաթթվի միջև:

Ջրածնային կապի առկայությունը ջրի մոլեկուլների միջև բացատրում է նրա մի շարք յուրահատուկ ֆիզիկական հատկություններ.

• Նրա ջերմային հզորության, դիէլեկտրական հաստատունի, եռման և հալման կետերի արժեքները, ըստ հաշվարկների, պետք է շատ ավելի քիչ լինեն իրականից, ինչը բացատրվում է մոլեկուլների կապով և ծախսելու անհրաժեշտությամբ։ էներգիա միջմոլեկուլային ջրածնային կապերը կոտրելու համար։
• Ի տարբերություն այլ նյութերի, երբ ջերմաստիճանը նվազում է, ջրի ծավալը մեծանում է։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ մոլեկուլները սառույցի բյուրեղային կառուցվածքում որոշակի դիրք են զբաղեցնում և ջրածնային կապի երկարությամբ հեռանում են միմյանցից։

Այս կապը հատուկ դեր է խաղում կենդանի օրգանիզմների համար, քանի որ դրա առկայությունը սպիտակուցի մոլեկուլներում որոշում է նրանց հատուկ կառուցվածքը, հետևաբար՝ հատկությունները: Բացի այդ, նուկլեինաթթուները, որոնք կազմում են ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրը, նույնպես կապված են ջրածնային կապերով։

Հաղորդակցություն բյուրեղներում

Պինդ մարմինների ճնշող մեծամասնությունն ունի բյուրեղային ցանց՝ հատուկդրանք կազմող մասնիկների փոխադարձ դասավորությունը։ Այս դեպքում նկատվում է եռաչափ պարբերականություն, և հանգույցներում տեղակայվում են ատոմներ, մոլեկուլներ կամ իոններ, որոնք միացված են երևակայական գծերով։ Կախված այս մասնիկների բնույթից և նրանց միջև եղած կապերից՝ բոլոր բյուրեղային կառուցվածքները բաժանվում են ատոմային, մոլեկուլային, իոնային և մետաղական։

Իոնային բյուրեղային ցանցի հանգույցներում կան կատիոններ և անիոններ։ Ավելին, նրանցից յուրաքանչյուրը շրջապատված է խիստ սահմանված թվով իոններով՝ միայն հակառակ լիցքով։ Տիպիկ օրինակ է նատրիումի քլորիդը (NaCl): Նրանք հակված են ունենալ բարձր հալման կետ և կարծրություն, քանի որ կոտրվելու համար շատ էներգիա են պահանջում:

Կովալենտային կապով առաջացած նյութերի մոլեկուլները գտնվում են մոլեկուլային բյուրեղային ցանցի հանգույցներում (օրինակ՝ I₂): Նրանք միմյանց հետ կապված են թույլ վան դեր Վալսյան փոխազդեցությամբ, և, հետևաբար, նման կառույցը հեշտ է ոչնչացնել: Նման միացություններն ունեն ցածր եռման և հալման ջերմաստիճան։

Ատոմային բյուրեղային ցանցը ձևավորվում է բարձր վալենտային արժեք ունեցող քիմիական տարրերի ատոմներից։ Դրանք միացված են ամուր կովալենտային կապերով, ինչը նշանակում է, որ նյութերն ունեն բարձր եռման, հալման և բարձր կարծրություն։ Օրինակ է ադամանդը։

Այսպիսով, քիմիական նյութերում հայտնաբերված բոլոր տեսակի կապերն ունեն իրենց առանձնահատկությունները, որոնք բացատրում են մոլեկուլների և նյութերի մասնիկների փոխազդեցության բարդությունները: Միացությունների հատկությունները կախված են դրանցից։ Նրանք որոշում են շրջակա միջավայրում տեղի ունեցող բոլոր գործընթացները: