Wiązania chemiczne definicja i właściwości

Wiązania chemiczne to oddziaływania pomiędzy atomami pierwiastków, prowadzące do bardziej lub mniej trwałego ich połączenia. W tworzeniu wiązań chemicznych uczestniczą elektrony walencyjne pierwiastków. W zależności od rodzaju wiązania elektrony mogą być uwspólniane, oddane i przyjmowane przez poszczególne atomy. 

„Chęć” atomów do uwspólniania lub wręcz oddawania swoich elektronów wynika z ich dążenia do osiągnięcia jak najtrwalszej konfiguracji elektronowej tj. takiej o najmniejszej energii. Najtrwalszymi konfiguracjami są dublet helowy oraz oktety pozostałych gazów szlachetnych, które posiadają odpowiednio dwa lub osiem elektronów walencyjnych. Tak więc każdy pierwiastek dąży do uzyskania konfiguracji najbliższego mu pierwiastka grupy 18 i w zależności od położenia w układzie okresowym chętniej oddaje lub przyjmuje elektrony.

Cechą, która w dobry sposób obrazuje „chęć” lub „niechęć” danego pierwiastka do przyjmowania lub oddawania elektronów jest elektroujemność – definiuje ona, jak silnie atomy „przyciągają” elektrony. Im wyższa elektroujemność tych przyciąganie to jest silniejsze. Najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem jest fluor, a najmniej frans. 

W zależności od wielkości różnicy pomiędzy elektroujemnościami pierwiastków tworzącymi wiązanie chemiczne powstają połączenia: kowalencyjne, kowalencyjne spolaryzowane lub jonowe.

Wiązania jonowe tworzone są gdy różnica elektroujemności między pierwiastkami jest z reguły większa lub równa 1,7 w skali Paulinga. Oddziaływania jonowe powstają przez przekazanie elektronu (lub elektronów) z pierwiastka mniej elektroujemnego na pierwiastek bardziej elektroujemny. Skutkuje to powstaniem kolejno jonu dodatniego (kationu) i ujemnego (anionu) – wiązania te mają więc charakter elektrostatyczny. Aby zaznaczyć, że pomiędzy danymi pierwiastkami występuje wiązanie jonowe, należy użyć poniższego zapisu:

A+ B-

Pod wpływem rozpuszczalnika polarnego (np. wody) związki o budowie jonowej ulegają dysocjacji elektrolitycznej tj. rozpadowi cząstek na jony.

Wiązania kowalencyjne powstają dzięki uwspólnieniu elektronu lub elektronów pomiędzy tworzącymi wiązanie atomami. Nie dochodzi tutaj do całkowitego przeniesienia elektronu, a jedynie nałożenia się zewnętrznych orbitali dwóch atomów. W zależności od wielkości różnicy elektroujemności pomiędzy atomami wyróżnia się wiązania kowalencyjne niespolaryzowane i spolaryzowane. 

Wiązania kowalencyjne niespolaryzowane występują pomiędzy atomami tego samego pierwiastka (np. w cząsteczkach gazów H₂, N₂, S₂) lub pierwiastków o zbliżonej elektroujemności (gdy ich różnica mieści się w przedziale 0 do 0,4 w skali Paulinga) m.in. pomiędzy atomami węgla i wodoru w związkach organicznych. Związki posiadające wiązania niespolaryzowane cechuje dobra rozpuszczalność w rozpuszczalnikach niepolarnych natomiast słaba w polarnych. 

Wiązania kowalencyjne spolaryzowane występują pomiędzy atomami pierwiastków, których różnica elektroujemności znajduje się w zakresie od 0,4 do 1,7 w skali Paulinga. W przypadku wiązań spolaryzowanych powstała na drodze nachodzenia się orbitali atomowych para (lub pary) elektronów przesunięta jest ku atomowi o wyższej elektroujemności. Przesunięcie jest tym większe, im większa jest różnica pomiędzy elektroujemnościami pierwiastków. Ze względu na występujące przesunięcie ładunków (w postaci elektronów) na atomach cząsteczki powstają cząstkowe ładunki elektryczne – ujemny na atomie bardziej elektroujemnym i dodatni na atomie mniej elektroujemnym. Sprawia to, że cząsteczka przybiera postać dipolu elektrycznego.

Wiązania kowalencyjne niespolaryzowane oraz spolaryzowane zapisuje się za pomocą poziomej kreski:

A – B

Warto również pamiętać, że granica pomiędzy wiązaniami kowalencyjnymi a jonowymi nie jest jasno ustalona i ma bardziej charakter płynnego przejścia pomiędzy jednym a drugim typem wiązań.

W większości przypadków podczas tworzenia się wiązań kowalencyjnych każdy z atomów uwspólnia po tyle samo atomów (po jednym, po trzy itd.), tak że w każdej powstałej parze elektronów jeden pochodzi od atomu A, a drugi od atomu B. Zdarza się jednak, że uwspólniona para (pary) elektronów pochodzą tylko od jednego atomu – taki rodzaj wiązań nazywany jest koordynacyjnym. 

Wiązania koordynacyjne zapisuje się przy użyciu strzałki, której grot skierowany jest do atomu przyjmującego dwa elektrony:

A → B

Wyjątkowym typem połączeń pomiędzy atomami są wiązania metaliczne. Jak sama nazwa wskazuje, występują one pomiędzy atomami metali. Tworzone są na skutek oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami atomów metali a ujemnymi elektronami walencyjnymi występującymi w strukturze metalu w formie chmury zdelokalizowanych elektronów. Charakter wiązania ma bezpośredni wpływ na właściwości metali tj. ich wysokie temperatury wrzenia oraz topnienia, dobrej przewodności elektrycznej czy kowalności.

Wartym wspomnienia są również wiązania wodorowe, chociaż oficjalnie nie są zaliczane do wiązań chemicznych. Są rodzajem oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy atomem wodoru a atomem silnie elektroujemnego pierwiastka, posiadającego wolne pary elektronów takich jak tlen czy azot. Wiązania wodorowe są najczęściej oddziaływaniami międzycząsteczkowymi i mają charakter stabilizujący, np. wpływają na właściwości reologiczne wody oraz usztywniają struktury białek.

Graficznie przedstawia się je w formie linii przerywanej:

A – H --- Y – B