Kimyəvi bağ anlayışı bir elm kimi kimyanın müxtəlif sahələrində heç də az əhəmiyyət kəsb etmir. Bu onunla əlaqədardır ki, onun köməyi ilə ayrı-ayrı atomlar molekullara birləşərək hər cür maddələr əmələ gətirir və bu da öz növbəsində kimyəvi tədqiqatların mövzusudur.
Atom və molekulların müxtəlifliyi onlar arasında müxtəlif növ bağların yaranması ilə əlaqədardır. Molekulların müxtəlif sinifləri elektronların paylanmasının öz xüsusiyyətləri və deməli, öz bağ növləri ilə xarakterizə olunur.
Əsas anlayışlar
Kimyəvi bağ atomların daha mürəkkəb strukturun sabit hissəciklərini (molekullar, ionlar, radikallar), həmçinin aqreqatlar (kristallar, şüşələr və s.) əmələ gətirmək üçün bağlanmasına səbəb olan qarşılıqlı təsirlər toplusudur. Bu qarşılıqlı təsirlərin təbiəti elektrik xarakterlidir və onlar yaxınlaşan atomlarda valent elektronların paylanması zamanı yaranır.
Valentlik adətən atomun digər atomlarla müəyyən sayda əlaqə yaratmaq qabiliyyəti adlanır. İon birləşmələrində valentlik dəyəri kimi verilmiş və ya birləşdirilmiş elektronların sayı qəbul edilir. ATkovalent birləşmələrdə ümumi elektron cütlərinin sayına bərabərdir.
Oksidləşmə vəziyyəti bütün qütb kovalent bağlar ion olarsa, atomda ola biləcək şərti yük kimi başa düşülür.
İlaq çoxluğu nəzərdən keçirilən atomlar arasında paylaşılan elektron cütlərinin sayıdır.
Kimyanın müxtəlif sahələrində nəzərdən keçirilən bağları iki növ kimyəvi bağa bölmək olar: yeni maddələrin əmələ gəlməsinə səbəb olanlar (molekuldaxili) və molekullar arasında yarananlar (molekullararası).
Əsas ünsiyyət xüsusiyyətləri
Bağlama enerjisi molekulda mövcud olan bütün bağları qırmaq üçün tələb olunan enerjidir. Bu, həmçinin bağın formalaşması zamanı ayrılan enerjidir.
Bağ uzunluğu, cazibə və itələmə qüvvələrinin balanslaşdırıldığı bir molekuldakı atomların qonşu nüvələri arasındakı məsafədir.
Atomların kimyəvi bağının bu iki xüsusiyyəti onun gücünün ölçüsüdür: uzunluq nə qədər qısa və enerji nə qədər çox olarsa, bağ bir o qədər güclü olar.
Bağ bucağı adətən atomların nüvələrindən birləşmə istiqamətində keçən təsvir xətləri arasındakı bucaq adlanır.
Linkləri təsvir etmək üçün üsullar
Kvant mexanikasından götürülmüş kimyəvi bağı izah etmək üçün ən ümumi iki yanaşma:
Molekulyar orbitallar üsulu. O, molekulu atomların elektronları və nüvələri toplusu kimi hesab edir, hər bir fərdi elektron bütün digər elektronların və nüvələrin fəaliyyət sahəsində hərəkət edir. Molekul orbital quruluşa malikdir və onun bütün elektronları bu orbitlər boyunca paylanır. Həmçinin, bu üsul "molekulyar orbital - atom orbitallarının xətti kombinasiyası" mənasını verən MO LCAO adlanır.
Valentlik bağları üsulu. Bir molekulu iki mərkəzi molekulyar orbital sistemi kimi təmsil edir. Üstəlik, onların hər biri molekuldakı iki bitişik atom arasındakı bir əlaqəyə uyğundur. Metod aşağıdakı müddəalara əsaslanır:
- Kimyəvi əlaqənin əmələ gəlməsi iki hesab edilən atom arasında yerləşən əks spinli elektron cütü tərəfindən həyata keçirilir. Yaranan elektron cütü bərabər şəkildə iki atoma aiddir.
- Bu və ya digər atomun yaratdığı bağların sayı yerdəki və həyəcanlı vəziyyətdə olan qoşalaşmamış elektronların sayına bərabərdir.
- Əgər elektron cütləri rabitənin əmələ gəlməsində iştirak etmirsə, o zaman onlara tək cütlər deyilir.
Elektronmənfilik
Maddələrdə kimyəvi bağın növünü onun tərkib atomlarının elektronmənfilik dəyərlərindəki fərqə əsasən təyin etmək mümkündür. Elektroneqativlik atomların ümumi elektron cütlərini (elektron buludu) cəlb etmək qabiliyyəti kimi başa düşülür, bu da bağların qütbləşməsinə gətirib çıxarır.
Kimyəvi elementlərin elektronmənfiliyinin qiymətlərini təyin etməyin müxtəlif yolları var. Bununla belə, ən çox istifadə edilən, 1932-ci ildə L. Pauling tərəfindən təklif edilmiş termodinamik məlumatlara əsaslanan şkaladır.
Atomların elektronmənfiliyindəki fərq nə qədər çox olarsa, onun ionluğu bir o qədər aydın olur. Əksinə, bərabər və ya yaxın elektronmənfi dəyərlər bağın kovalent təbiətini göstərir. Başqa sözlə, müəyyən bir molekulda hansı kimyəvi əlaqənin müşahidə olunduğunu riyazi olaraq müəyyən etmək mümkündür. Bunun üçün ΔX - atomların elektronmənfilik fərqini aşağıdakı düstura görə hesablamaq lazımdır: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- ΔХ>1, 7 olarsa, deməli rabitə iondur.
- 0,5≦ΔХ≦1,7 olarsa, kovalent rabitə qütbdür.
- ΔХ=0 və ya ona yaxındırsa, deməli rabitə kovalent qeyri-qütbdür.
İon bağı
İonik elə bir bağdır ki, ionlar arasında və ya atomlardan birinin ümumi elektron cütünü tamamilə çəkməsi nəticəsində yaranır. Maddələrdə bu növ kimyəvi birləşmə elektrostatik cazibə qüvvələri tərəfindən həyata keçirilir.
İonlar elektronların qazanması və ya itirilməsi nəticəsində atomlardan əmələ gələn yüklü hissəciklərdir. Atom elektronları qəbul etdikdə mənfi yük alır və anion olur. Atom valentlik elektronlarını verirsə, o, kation adlanan müsbət yüklü hissəcikə çevrilir.
Tipik metalların atomlarının tipik qeyri-metalların atomları ilə qarşılıqlı təsiri nəticəsində yaranan birləşmələr üçün xarakterikdir. Bu prosesin əsası atomların sabit elektron konfiqurasiyalar əldə etməyə çalışmasıdır. Bunun üçün tipik metallar və qeyri-metallar yalnız 1-2 elektron vermək və ya qəbul etmək lazımdır,bunu rahatlıqla edirlər.
Molekulda ion-kimyəvi bağın əmələ gəlməsi mexanizmi ənənəvi olaraq natrium və xlorun qarşılıqlı təsirindən istifadə etməklə nəzərdən keçirilir. Qələvi metal atomları asanlıqla halogen atomunun çəkdiyi elektronu verir. Nəticə elektrostatik cazibə ilə bir yerdə saxlanılan Na+ kation və Cl- anionudur.
İdeal ion rabitəsi yoxdur. Çox vaxt ion adlandırılan belə birləşmələrdə belə, elektronların atomdan atoma son transferi baş vermir. Yaranan elektron cütü hələ də ümumi istifadədə qalır. Buna görə də, onlar kovalent bağın ionluq dərəcəsindən danışırlar.
İonik əlaqə bir-biri ilə əlaqəli iki əsas xüsusiyyətlə xarakterizə olunur:
- istiqamətsiz, yəni ion ətrafındakı elektrik sahəsi kürə şəklinə malikdir;
- Doymamışlıq, yəni hər hansı bir ion ətrafında yerləşdirilə bilən əks yüklü ionların sayı onların ölçüsü ilə müəyyən edilir.
Kovalent kimyəvi bağ
Qeyri-metal atomlarının elektron buludlarının üst-üstə düşməsi nəticəsində yaranan, yəni ümumi elektron cütü tərəfindən həyata keçirilən rabitəyə kovalent rabitə deyilir. Ortaq elektron cütlərinin sayı bağın çoxluğunu müəyyən edir. Beləliklə, hidrogen atomları tək H·H bağı ilə, oksigen atomları isə O::O ikiqat rabitə əmələ gətirir.
Onun əmələ gəlməsinin iki mexanizmi var:
- Mübadilə - hər atom ümumi cütün əmələ gəlməsi üçün bir elektronu təmsil edir: A +B=A: B, halbuki əlaqə bir elektronun yerləşdiyi xarici atom orbitallarını əhatə edir.
- Donor-akseptor - rabitə yaratmaq üçün atomlardan biri (donor) bir cüt elektron, ikinci (akseptor) isə onun yerləşdirilməsi üçün sərbəst orbital verir: A +:B=A:B.
Kovalent kimyəvi rabitə yarandıqda elektron buludlarının üst-üstə düşmə yolları da fərqlidir.
- Birbaşa. Buludların üst-üstə düşmə bölgəsi nəzərdən keçirilən atomların nüvələrini birləşdirən düz xəyali xətt üzərində yerləşir. Bu zaman σ-bağları yaranır. Bu halda baş verən kimyəvi bağın növü üst-üstə düşən elektron buludlarının növündən asılıdır: s-s, s-p, p-p, s-d və ya p-d σ-bağlar. Zərrəcikdə (molekul və ya ion) iki qonşu atom arasında yalnız bir σ bağı yarana bilər.
- Yan. Atomların nüvələrini birləşdirən xəttin hər iki tərəfində həyata keçirilir. π- rabitəsi belə yaranır və onun növləri də mümkündür: p-p, p-d, d-d. σ-bağdan ayrı, π-bağ heç vaxt əmələ gəlmir, o, çoxlu (ikiqat və üçlü) bağları olan molekullarda ola bilər.
Kovalent bağ xassələri
Birləşmələrin kimyəvi və fiziki xüsusiyyətlərini təyin edirlər. Maddələrdə hər hansı kimyəvi bağın əsas xüsusiyyətləri onun istiqamətliliyi, polaritesi və qütbləşmə qabiliyyəti, həmçinin doyma qabiliyyətidir.
Bağların istiqamətliliyi molekulun xüsusiyyətlərini müəyyən edirmaddələrin quruluşunu və molekullarının həndəsi formasını. Onun mahiyyəti ondan ibarətdir ki, elektron buludların ən yaxşı üst-üstə düşməsi kosmosda müəyyən bir oriyentasiya ilə mümkündür. σ- və π- istiqrazların formalaşması variantları artıq yuxarıda nəzərdən keçirilmişdir.
Doyma atomların molekulda müəyyən sayda kimyəvi bağ yaratmaq qabiliyyəti kimi başa düşülür. Hər bir atom üçün kovalent bağların sayı xarici orbitalların sayı ilə məhdudlaşır.
Bağın polaritesi atomların elektronmənfilik dəyərlərindəki fərqdən asılıdır. Atomların nüvələri arasında elektronların paylanmasının vahidliyini müəyyən edir. Bu əsasda kovalent rabitə qütblü və ya qeyri-qütblü ola bilər.
- Əgər ümumi elektron cütü eyni dərəcədə atomların hər birinə aiddirsə və onların nüvələrindən eyni məsafədə yerləşirsə, o zaman kovalent rabitə qeyri-qütbdür.
- Əgər ümumi elektron cütü atomlardan birinin nüvəsinə keçərsə, o zaman kovalent qütblü kimyəvi bağ yaranır.
Qütbləşmə qabiliyyəti xarici elektrik sahəsinin təsiri altında bağ elektronlarının yerdəyişməsi ilə ifadə edilir, bu, başqa bir hissəciyə, eyni molekuldakı qonşu bağlara aid ola bilər və ya elektromaqnit sahələrinin xarici mənbələrindən gəlir. Beləliklə, onların təsiri altında olan kovalent bağ onun polaritesini dəyişə bilər.
Orbitalların hibridləşməsi zamanı kimyəvi bağın həyata keçirilməsində onların formalarının dəyişməsini başa düşürlər. Bu, ən təsirli üst-üstə düşməyə nail olmaq üçün lazımdır. Hibridləşmənin aşağıdakı növləri var:
- sp3. Bir s- və üç p-orbitalları dörd təşkil edireyni formalı "hibrid" orbitallar. Zahirən o, oxları arasında 109 ° bucağı olan tetraedra bənzəyir.
- sp2. Bir s- və iki p-orbital oxları arasında 120° bucağı olan düz üçbucaq yaradır.
- sp. Bir s- və bir p-orbital oxları arasında 180° bucaq olan iki "hibrid" orbital yaradır.
Metal bağ
Metal atomlarının quruluşunun bir xüsusiyyəti kifayət qədər böyük radius və xarici orbitallarda az sayda elektronun olmasıdır. Nəticədə belə kimyəvi elementlərdə nüvə ilə valent elektronlar arasındakı əlaqə nisbətən zəifdir və asanlıqla qırılır.
Metal rabitəsi delokalizasiya olunmuş elektronların köməyi ilə həyata keçirilən metal atomları-ionları arasında belə qarşılıqlı təsirdir.
Metal hissəciklərində valent elektronlar asanlıqla xarici orbitalları tərk edə bilir, həmçinin onların üzərində boş yerlər tutur. Beləliklə, müxtəlif vaxtlarda eyni hissəcik bir atom və bir ion ola bilər. Onlardan qoparılan elektronlar kristal qəfəsin bütün həcmi boyunca sərbəst hərəkət edir və kimyəvi əlaqə yaradır.
Bu növ bağın ion və kovalentlə oxşarlıqları var. İon üçün olduğu kimi, metal bağın mövcudluğu üçün ionlar lazımdır. Ancaq birinci halda elektrostatik qarşılıqlı təsirin həyata keçirilməsi üçün kationlar və anionlar lazımdırsa, ikincisində mənfi yüklü hissəciklərin rolunu elektronlar oynayır. Əgər metal bağı kovalent rabitə ilə müqayisə etsək, onda hər ikisinin əmələ gəlməsi üçün ümumi elektronlar lazımdır. Bununla belə, inqütblü kimyəvi bağdan fərqli olaraq, onlar iki atom arasında lokallaşdırılmır, lakin kristal qəfəsdəki bütün metal hissəciklərinə aiddir.
Metal bağları demək olar ki, bütün metalların xüsusi xassələrinə cavabdehdir:
- plastiklik, elektron qazın saxladığı kristal qəfəsdə atom təbəqələrinin yerdəyişməsi ehtimalına görə mövcuddur;
- elektronlardan işıq şüalarının əks olunması səbəbindən müşahidə olunan metal parıltı (toz halında kristal qəfəs yoxdur və buna görə də onun boyunca hərəkət edən elektronlar);
- yüklü hissəciklər axını ilə həyata keçirilən elektrik keçiriciliyi və bu halda kiçik elektronlar böyük metal ionları arasında sərbəst hərəkət edir;
- elektronların istilik ötürmə qabiliyyətinə görə müşahidə edilən istilik keçiriciliyi.
Hidrogen bağı
Bu tip kimyəvi bağ bəzən kovalent və molekullararası qarşılıqlı təsir arasında aralıq adlanır. Hidrogen atomunun güclü elektronmənfi elementlərdən biri ilə (məsələn, fosfor, oksigen, xlor, azot) bir əlaqəsi varsa, o zaman hidrogen adlanan əlavə bir əlaqə yaratmağa qadirdir.
Yuxarıda nəzərdən keçirilən bütün növ bağlardan çox zəifdir (enerji 40 kJ/mol-dan çox deyil), lakin ona laqeyd yanaşmaq olmaz. Bu səbəbdən diaqramdakı hidrogen kimyəvi bağı nöqtəli xətt kimi görünür.
Hidrogen bağının yaranması eyni zamanda donor-akseptor elektrostatik qarşılıqlı təsirinə görə mümkündür. Dəyərlərdə böyük fərqelektronmənfilik O, N, F və başqa atomlarda artıq elektron sıxlığının yaranmasına, həmçinin hidrogen atomunda onun olmamasına səbəb olur. Bu cür atomlar arasında mövcud kimyəvi bağ olmadığı təqdirdə, kifayət qədər yaxın olduqda cəlbedici qüvvələr aktivləşir. Bu halda proton elektron cütünün qəbuledicisi, ikinci atom isə donordur.
Hidrogen bağı həm qonşu molekullar, məsələn, su, karboksilik turşular, spirtlər, ammonyak arasında və molekulun daxilində, məsələn, salisilik turşuda baş verə bilər.
Su molekulları arasında hidrogen bağının olması onun bir sıra unikal fiziki xüsusiyyətlərini izah edir:
- Hesablamalara uyğun olaraq onun istilik tutumunun, dielektrik davamlılığının, qaynama və ərimə nöqtələrinin dəyərləri real olanlardan çox az olmalıdır ki, bu da molekulların bağlanması və xərcləmə ehtiyacı ilə izah olunur. molekullararası hidrogen bağlarını qırmaq üçün enerji.
- Digər maddələrdən fərqli olaraq temperatur aşağı düşəndə suyun həcmi artır. Bu, molekulların buzun kristal strukturunda müəyyən mövqe tutması və hidrogen rabitəsinin uzunluğu ilə bir-birindən uzaqlaşması ilə əlaqədardır.
Bu əlaqə canlı orqanizmlər üçün xüsusi rol oynayır, çünki onun zülal molekullarında olması onların xüsusi strukturunu, deməli, xassələrini müəyyən edir. Bundan əlavə, DNT ikiqat spiralını təşkil edən nuklein turşuları da hidrogen bağları ilə dəqiq şəkildə bağlanır.
Kristallarda ünsiyyət
Bərk cisimlərin böyük əksəriyyəti kristal qəfəsə malikdir - xüsusionları əmələ gətirən hissəciklərin qarşılıqlı düzülüşü. Bu zaman üçölçülü dövrilik müşahidə edilir və atomlar, molekullar və ya ionlar xəyali xətlərlə birləşən düyünlərdə yerləşir. Bu hissəciklərin təbiətindən və aralarındakı bağlardan asılı olaraq bütün kristal strukturlar atomik, molekulyar, ionik və metallara bölünür.
İon kristal şəbəkəsinin düyünlərində kationlar və anionlar var. Üstəlik, onların hər biri yalnız əks yüklü ciddi şəkildə müəyyən edilmiş sayda ionlarla əhatə olunmuşdur. Tipik bir nümunə natrium xloriddir (NaCl). Onlar yüksək ərimə nöqtələrinə və sərtliyə malikdirlər, çünki qırılmaları üçün çoxlu enerji tələb olunur.
Kovalent rabitə ilə əmələ gələn maddələrin molekulları molekulyar kristal şəbəkənin düyünlərində yerləşir (məsələn, I2). Onlar bir-biri ilə zəif van der Waals qarşılıqlı əlaqəsi ilə bağlıdır və buna görə də belə bir quruluşu məhv etmək asandır. Belə birləşmələrin aşağı qaynama və ərimə nöqtələri var.
Atom kristal qəfəsi yüksək valentlik dəyərlərinə malik kimyəvi elementlərin atomlarından əmələ gəlir. Onlar güclü kovalent bağlarla bağlanır, yəni maddələr yüksək qaynama nöqtələrinə, ərimə nöqtələrinə və yüksək sərtliyə malikdirlər. Misal almazdır.
Beləliklə, kimyəvi maddələrdə tapılan bütün növ bağların öz xüsusiyyətləri vardır ki, bu da molekullarda və maddələrdə hissəciklərin qarşılıqlı təsirinin incəliklərini izah edir. Birləşmələrin xüsusiyyətləri onlardan asılıdır. Onlar ətraf mühitdə baş verən bütün prosesləri müəyyən edir.
