Typy wiązań chemicznych
Opracowana przez G.N Lewisa teoria tworzenia wiązan chemicznych nosi nazwę elektronowej teorii wiązania chemicznego,. Teoria ta wyjaśnia mechanizm tworzenia wiązań chemicznych sklasyfikowanych jako jonowe, kowalencyjne i koordynacyjne.
Ale okazało się, że poza prostymi przypadkami struktury Lewisa nie w pełni wyjaśniają rozmieszczenie atomów w przestrzeni oraz w wielu przypadkach kłócą się z założeniami teorii kwantowej. Przykładem jest rozmieszczenie wiążącej pary elektronowej, która zgodnie z rysowanymi wzorami Lewisa zlokalizowana jest między związanymi atomami. A wiemy z poprzedniego rozdziału, że elektron z uwagi na swoje falowe właściwości nie ma ściśle określonego miejsca, dlatego nie możemy dokładnie lokalizować elektronu w tym miejscu. Rozwiązanie tego problemu stało się dopiero możliwe, jak do wyjaśnienia mechanizmu tworzenia wiązań chemicznych wykorzystano założenia mechaniki kwantowej. Nowa teoria wyjaśniająca mechanizm tworzenia wiązań chemicznych nosi nazwę kwantowej teorii wiązań chemicznych.
Obie teorie prezentowane będą poniżej z ta uwagą, że w kwantowej teorii tworzenia wiązań chemicznych ograniczymy się tylko do wyjaśnienia niektórych mechanizmów i zjawisk.
Wyróżnia się kilka typów wiązań chemicznych, a mianowicie:
wiązanie jonowe czyli elektrowalencyjne
wiązanie atomowe czyli kowalencyjne
wiązanie metaliczne
siły międzycząsteczkowe.
Do wiązania atomowego zalicza się również:
wiązanie pośrednie czyli atomowe splaryzowane (kowalencyjne spolaryzowane)
wiązanie donorowo-akceptorowe (koordynacyjne)
Pozostałe wiązania - siły międzycząsteczkowe to:
wiązanie wodorowe
wiązanie międzycząsteczkowe czyli wiązanie siłami van der Waalsa
Przykłady kwasów
Kwasy znane już były w starożytności. Jedynym kwasem, który był znany w tym okresie jest kwas octowy znany pod nazwą kwasu winnego - actum. Od tego słowa pochodzi łacińska nazwa tej grupy związków - acidum. Są to związki charakteryzujące się kwaśnym smakiem. W naszym codziennym otoczeniu często spotykamy kwasy. Tymi kwasami są:
kwas octowy
kwas cytrynowy
kwas węglowy
kwas masłowy
kwas szczawiowy
kwas siarkowy (akumulatory)
kwas mrówkowy (jad mrówek, oparzenia pokrzywy)
kwas stearynowy
Jak możemy kwasy odróżnić od innych substancji?
Sposoby odróżniania kwasów od innych substancji (wskazniki)
W celu stwierdzenia, czy mamy do czynienia z kwasem czy inną substancją wykorzystuje się różnego rodzaju wskazniki. Są to substancje, które w obecności kwasu zmienią swoje zabarwienie. Najprostszym wskaznikiem, który możemy zrobić w warunkach domowych jest wywar z czerwonej kapusty.
Fioletowe zabarwienie wywaru z czerwonej kapusty zmienia się na różowe w obecności kwasu |
Innymi wskaznikami stosowanymi do wykrywania kwasów są - tabela niżej.
Zabarwienie wskazników
Nazwa wskaznika |
BARWA WSKAZNIKA |
|
|
w wodzie |
w roztworze kwasu |
Oraż metylowy |
pomarańczowa |
różowa |
Lakmus |
fioletowa |
różowa |
Błękit tymolowy |
żółta |
różowa |
Papierek uniwersalny |
żółta |
różowa |
Wywar z czerwonej kapusty |
fioletowa |
różowa |
Wskazniki to substancje umożliwiające wizualne zaobserwowanie odczynu roztworu |
Podział kwasów
Przedstawicielami kwasów są następujące substancje chemiczne - tabela niżej
Kwasy
Nazwa kwasu |
Wzór chemiczny |
kwas chlorowodorowy |
HCl |
kwas bromowodorowy |
HBr |
kwas jodowodorowy |
HI |
kwas fluorowodorowy |
HF |
kwas siarkowodorowy |
H2S |
kwas siarkowy(IV) |
H2SO3 |
kwas siarkowy(VI) |
H2SO4 |
kwas węglowy |
H2CO3 |
kwas fosforowy(V) |
H3PO4 |
kwas azotowy(V) |
HNO3 |
kwas azotowy(III) |
HNO2 |
W nazwach kwasów posiadających w cząsteczce atom tlenu w nawiasie cyframi rzymskimi podana jest wartościowość atomu centralnego |
Wszystkie kwasy zebrane w tabeli mają częśc wspólną, występującą we wszystkich kwasach. Tą częścią wspólną dla wszystkich kwasów jest atom wodoru, który w zależności od rodzaju kwasu występuje w różnych ilościach (patrz indeksy dolne przy atomach wodoru). Prosta analiza wzorów kwasów pokazuje, że można im przypisac wzór ogólny.
HnR
gdzie: R - oznacza reszte kwasową a n- ilośc atomów wodoru, równa wartościowści reszty kwasowej
Przykłady
Kwasy
Nazwa kwasu |
Ilość atomów wodoru |
Wzór reszty kwasowej R |
Wartościowość reszty kwasowej R |
kwas chlorowodorowy |
H -1 |
Cl |
I |
kwas siarkowodorowy |
H - 2 |
S |
II |
kwas azotowy(V) |
H - 1 |
NO3 |
I |
kwas siarkowy(VI) |
H - 2 |
SO4 |
II |
kwas fosforowy(V) |
H - 3 |
PO4 |
III |
Ze względu na skład reszty kwasowej, kwasy dzielimy na:
, których reszta kwasowa nie zawiera atomów tlenu
, których reszta kwasowa zawiera atom(y) tlenu (patrz tabela) |
Właściwości kwasów
Kwasy to z reguły substancje aktywne chemicznie. Wiele kwasów reaguje z metalami i tlenkami metali a najbardziej charakterystyczną reakcją dla kwasów jest reakcja z wodorotlenkami. Wspólnym dla wszystkich kwasów jest zjawisko przewodzenia prądu elektrycznego. Jeżeli roztwory kwasów przewodzą prąd elektryczny, to dowodzi że w roztworze muszą znajdować się nośniki prądu elektrycznego.
Co jest nośnikiem prądu elektrycznego w roztworze kwasów?
Otóz okazuje się, że nośnikami prądu elektrycznego w roztworach kwasów są; kationy wodorowe (H+) i aniony reszt kwasowych (Cl-, CO32-, SO42-, PO43-,.....) . Jony które pojawiły się w roztworze są wynikiem oddziaływania cząsteczek wody z cząsteczkami kwasu a efektem jest rozpad na jony. |
Przykład - kwas chlorowodorowy (kwas solny)
Cząsteczka kwasu chlorowodorowego jest dipolem, podobnie jak cząsteczka wody. W wyniku wzajemnego odziaływania dipoli kwasu chlorowodorowego i wody, dochodzi do zwiększenia odległości między jądrami atomów tworzących cząsteczkę chlorowodoru. Następstwem tego jest rozerwanie wiązania i powstanie swobodnych jonów.
HCl ---> H+ + Cl-
Według podobnego mechanizmu dysocjują pozostałe kwasy.
Kwasy są to substancje, które dysocjują w roztworze wodnym na jednododatnie jony wodoru i ujemne jony reszt kwasowych |
Przykłady dysocjacji kwasów
HCl ---> H+ + Cl- |
Nie wszystkie kwasy w roztworach rozpadają się na jony całkowicie. Przykładem kwasu, który nie rozpada sie na jony całkowicie jest kwas siarkowodorowy (H2S) i kwas węglowy (H2CO3)
Przedstawione wyżej równania dysocjacji kwasów zawierające w cząsteczce więcej jak jeden atom wodoru stanowią tylko uproszczoną interpretację tego procesu. W rzeczywistości kwasy takie dysocjują stopniowo.
H2SO4 ---> H+ + HSO4-
H2SO4 ---> 2H+ + SO42- |
Jeżeli kwas w roztworze wodnym całkowicie dysocjuje, to w zapisie równania dysocjacji występuje jedna strzałka (--->). Umieszczenie dwóch strzałek (<==>) wskazuje, że substancja ulega częściowej dysocjacji.
Reakcje z metalami
Zn + 2HCl --> ZnCl2 + H2
Sól to substancja zawierająca w cząsteczce metal i resztę kwasową - MnRm
__________________________ |
Reakcje z tlenkami
K2O + 2HCl ---> 2KCl + H2O |
Reakcje z wodorotlenkami
NaOH + HBr --> NaBr + H2O |
Definicja wodorotlenku
Wodorotlenkami nazywamy wszystkie związki nieorganiczne, których cząsteczki zawierają kationy metali i aniony wodorotlenowe (OH-) gdzie: n - ilośc grup wodorotlenowych, równa wartościowości metalu |
Wodorotlenki podobnie jak kwasy spotykamy w naszym otoczeniu. Tymi wodorotlenkami są:
wodorotlenek sodu, znany pod handlową nazwą soda kaustyczna lub kret
wodorotlenek wapnia, znany jako wapno gaszone
Wodorotlenek sodu i wapnia są substancjami żrącymi. Podczas pracy z tymi substancjami należy zachować szczególną ostrożność |
Sposoby odróżniania wodorotlenków od innych substancji
Jak możemy wodorotlenki odróżnić od innych substancji?
Podobnie jak przy kwasach do wykrywania wodorotlenków wykorzystamy te same wskaźniki. Różnica będzie w zabarwieniu.
Fioletowe zabarwienie wywaru z czerwonej kapusty zmienia się na niebieskozielone w obecności wodorotlenku |
Innymi wskaźnikami stosowanymi do wykrywania wodorotlenków są - tabela niżej.
Zabarwienie wskaźników
Nazwa wskaznika |
BARWA WSKAZNIKA |
|
|
w wodzie |
w roztworze wodorotlenku |
Oraż metylowy |
pomarańczowa |
pomarańczowa |
Lakmus |
fioletowa |
niebieska |
Błękit tymolowy |
żółta |
niebieska |
Papierek uniwersalny |
żółta |
zielona |
Wywar z czerwonej kapusty |
fioletowa |
niebieskozielona |
Budowa cząsteczek wodorotlenków
Jaką budowe mają cząsteczki wodorotlenków?
Przedstawicielami wodorotlenków są następujące substancje chemiczne - tabela niżej
Wodorotlenki
Nazwa kwasu |
Wzór chemiczny |
wodorotlenek sodu |
NaOH |
wodorotlenek potasu |
KOH |
wodorotlenek wapnia |
Ca(OH)2 |
wodorotlenek magnezu |
Mg(OH)2 |
wodorotlenek glinu |
Al(OH)3 |
wodorotlenek żelaza(III) |
Fe(OH)3 |
wodorotlenek miedzi(II) |
Cu(OH)2 |
W nazwach wodorotlenków w nawiasie cyframi rzymskimi podana jest wartościowość metalu. Obowiązek pisania w nawiasie wartościowości metalu dotyczy tych metali, które występują w związkach w kilku wartościowościach |
Wszystkie wodorotlenki zebrane w tabeli mają częśc wspólną, występującą we wszystkich wzorach. Tą częścią wspólną dla wszystkich kwasów jest grupa wodorotlenowa, która w zależności od rodzaju metalu i jego wartościowości występuje w różnych ilościach (patrz indeksy dolne przy grupach wodorotlenowych). Prosta analiza wzorów kwasów pokazuje, że można im przypisac wzór ogólny.
Wzór ogólny - M(OH)n
gdzie: n - ilośc grup wodorotlenowych, równa wartościowości metalu
Przykłady
Wodorotlenki
Nazwa wodorotlenku |
Metal |
Ilość grup wodorotlenowych |
Wartościowość metalu |
wodorotlenek potasu |
K |
OH - 1 |
I |
wodorotlenek żelaza(II) |
Fe |
OH - 2 |
II |
wodorotlenek glinu |
Al |
OH - 3 |
III |
Ze względu na rozpuszczalność w wodzie, wodorotlenki dzielimy na:
i noszą one nazwę zasad
- nazwy zasada nie możemy stosować w stosunku do trudnorozpuszczalnych wodorotlenków, np. Al(OH)3 |
Metody otrzymywania wodorotlenków
Najważniejsze metody otrzymywania wodorotlenków to;
reakcja aktywnych metali z wodą
reakcja odpowiedniego tlenku metalu z wodą
Wodorotleniki nierozpuszczalne w wodzie można w reakcji wytrącania osadu
FeCl3 + 3 NaOH ---> Fe(OH)3 + 3NaCl
Reakcja aktywnych metali z wodą
Tymi aktywnymi metalami są metale I grupy układu okresowego i część metali II grupy układu okresowego. Pierwiastki te w zetknięciu z wodą reagują z wydzieleniem wodoru.
2Na + 2H2O ---> 2NaOH + H2 |
Reakcja odpowiedniego tlenku
K2O + H2O ---> 2KOH |
Właściwości wodorotlenków
Wodorotlenki to z reguły substancje aktywne chemicznie. Najbardziej charakterystyczną reakcją dla wodorotlenków jest reakcja z kwasami. Podobnie jak kwasy, roztwory wodne przewodzą prąd elektryczny. Jeżeli roztwory wodorotlenków przewodzą prąd elektryczny, to dowodzi że w roztworze muszą znajdować się nośniki prądu elektrycznego.
Co jest nośnikiem prądu elektrycznego w roztworze kwasów
Podobnie jak kwasy, wodorotlenki które rozpuszczają się w wodzie rozpadają sie na jony, tj. kation metalu i grupę wodorotlenową. Rozpad następuje wskutek wzajemnego oddziaływania cząsteczek wody i cząsteczek wodorotlenku |
Wniosek - nośnikiem prądu w roztworze wodorotlenków jest kation metalu i anion grupy wodorotlenowej.
Mając na uwadze powyższe stwierdzenia możemy dla zasad podać nową definicję. |
Definicja soli
Największą grupę związków nieorganicznych tworzą sole. Z tą grupą związków chemicznych zapoznaliśmy się opisując reakcje chemiczne kwasów i zasad.
Nazwa sole pochodzi od łacińskiego słowa sal i oznacza wszystkie substancje, których właściwości są podobne do znanej od najdawniejszych czasów soli kamiennej.
Substancje zawierającą w cząsteczce kationy metalu i aniony kwasu przyjęto nazywać solą
gdzie: M - metal, R - reszta kwasowa, n i m odpowiednie indeksy NaCl, Na2SO4, K3PO4, Fe(NO3)3, CuSO4 |
Jakimi właściwościami charakteryzują się sole?
Wszystkie sole mają budowę jonową a substancje o takiej budowie charakteryzują się;
budową krystaliczną
przeważnie dobrze rozpuszczają się w wodzie
wodne roztwory soli przewodzą prąd elektryczny
mają wysoką temperaturę topnienia
Metody otrzymywania soli
Do najważniejszych metod otrzymywania soli należą;
reakcje kwasów z zasadami
NaOH + HNO3 ---> NaNO3 + H2O
2KOH + H2SO4 ---> K2SO4 + 2H2O
reakcje metali z kwasami
Zn + H2SO4 ---> ZnSO4 + H2
2K + 2HNO3 ---> 2KNO3 + H2
reakcje tlenków niemetali z zasadami
SO3 + 2NaOH ---> Na2SO4 + H2O
CO2 + Ca(OH)2 ---> CaCO3 + H2O
reakcje tlenków metali z tlenkami niemetali
CaO + CO2 ---> CaCO3
reakcje bezpośredniej syntezy
2Na + Cl2 ---> 2NaCl
Budowa i nazewnictwo soli
Cząsteczki soli przypominają swoją budową cząsteczki kwasu (patrz reakcja zobojętniania).
|
W reakcji zobojętniania atomy wodoru kwasu siarkowego zastępowane są atomami potasu a produktem reakcji jest sól.
Sól podobnie jak kwas w roztworach wodnych dysocjuje. Produktem dysocjacji jest kation metalu i anion reszty kwasowej.
Sole rozpuszczalne w wodzie dysocjują na kation metalu i anion reszty kwasowej Dowodem, że sole rozpuszczone w wodzie są zdysocjowane na jony jest przewodzenie prądu elektrycznego przez roztwory soli. |
Nazewnictwo soli Nazwy soli tworzy się z:
nazwy anionu
nazwy kationu
wartościowości kationu metalu, podanej cyframi rzymskimi, umieszczonej w nawiasie
Sole kwasu solnego (chlorowodorowego) nazywamy chlorkami
KCl - chlorek potasu Sole kwasu siarkowodorowego nazywamy siarczkami
Na2S - siarczek sodu Sole kwasu siarkowego(IV) nazywamy siarczanami(IV)
Na2SO3 - siarczan(IV) sodu Sole kwasu siarkowego(VI) nazywamy siarczanami(VI)
CaSO4 - siarczan(VI) wapnia Sole kwasu węglowego nazywamy węglanami
MgCO3 - węglan magnezu Sole kwasu azotowego(V) nazywamy azotanami(V)
Ca(NO3)2 - azotan(V) wapnia Sole kwasu fosforowego(V) nazywamy fosforanami(V)
Ca3PO4 - fosforan(V) wapnia Uwaga: Jeżeli kation metalu ma tylko jedną wartościowość, to nie podaje się jego wartościowości. |
Właściwości soli
Wszystkie w stanie stałym są ciałami krystalicznymi o budowie jonowej. Wielkością, która charakteryzuje sole jest rozpuszczalność.
Wśród soli:
wszystkie azotany są rozpuszczalne
wszystkie octany są rozpuszczalne
wszystkie chlorki, bromki i jodki są rozpuszczalne z wyjątkiem srebrowych, rtęci Hg(I) i ołowiu Pb(II)
wszystkie siarczany są rozpuszczalne z wyjątkiem siarczanów baru, strontu i ołowiu
wszystkie sole sodowe, potasowe są rozpuszczalne
Więcej w tabeli rozpuszczalności
Wytrącanie osadów soli
Reakcje chemiczne w roztworach przebiegają wtedy jeżeli w reakcji powstają produkty trudnorozpuszczalne w wodzie oraz produkty, które nie dysocjują. |
Przykładem może być zmieszanie ze sobą roztworu azotanu srebra i chlorku sodowego. Po zmieszaniu roztworów wytrąca sie osad. Wytrącanie się osadu dowodzi że po zmieszaniu roztworów zachodzi reakcja chemiczna.
AgNO3 + NaCl ---> AgCl(osad) + NaNO3
Jednym z produktów reakcji jest trudnorozpuszczalny AgCl który wydziela się z roztworu w postaci osadu.
Dlaczego możliwe jest wytrącanie osadów z roztworów?
Z poprzednich rozdziałów wiemy, że takie substancje jak kwasy, zasady i niektóre sole po rozpuszczeniu w wodzie są zdysocjowane. Z tego możemy wnioskować, że każda z wymienionych substancji rozpuszczona w wodzie występuje w postaci jonów. Dlatego wcześniej napisane równanie reakcji chemicznej możemy zapisać inaczej, jako reakcję między jonami.
Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- ---> AgCl(osad) + Na+ + NO3-
Praktycznie w roztworze rakcja przebiega pomiędzy jonami Ag+ i Cl-, co możemy zapisać równaniem.
Ag+ + Cl- ---> AgCl(osad)
Wytrącanie osadu jest możliwe, ponieważ kation srebra w zetknięciu z anionem chlorkowym łączą się tworząc postać nierozpuszczalną.
Jeżeli jednak zmieszamy rozcieńczone roztwory azotanu sodowego i chlorku potasowego, to pomimo, że dla tych składników można napisać również równanie reakcji wymiany:
NaNO3 + KCl ---> KNO3 + NaCl
nie zaobserwujemy w roztworze żadnej zmiany, bowiem składniki występujące zarówno z lewej jak i z prawej strony równania są dobrze rozpuszczalne i zdysocjowane (patrz tabela rozpuszczalności).
Przebieg reakcji możemy przewidywać, korzystając z tabeli rozpuszczalności.
Przykład:
Co stanie się po zmieszaniu roztworów K2SO4 i BaCl2?
W tym przypadku przebieg reakcji możemy przewidywać na podstawie znajomości rozpuszczalności substratów i produktów. Możliwa jest tutaj tylko reakcja wymiany, gdzie jednym z produktów będzie siarczan(VI)baru BaSO4. K2SO4 + BaCl2 ---> BaSO4 + 2 KCl
Ponieważ mamy do czynienia z roztworami przebieg reakcji możemy zapisać jonowo
K2SO4 ---> 2K+ + SO42- Rownanie reakcji
2K+ + SO42- + Ba2+ + 2Cl- ---> BaSO4(osad) + 2K+ + 2Cl- |
Więcej przykładów
Ca(NO3)2 + K2CO3 ---> CaCO3(osad) + 2KNO3
Ca2+ + 2NO3- + 2K+ + CO32- ---> CaCO3(osad) + 2K+ + 2NO3-
__________________
Zn(NO3)2 + K2S ---> ZnS(osad) + 2KNO3
Zn2+ + 2NO3- + 2K+ + S2- ---> ZnS(osad) + 2K+ + 2NO3-
Podobny mechanizm reakcji strącania osadów obserwujemy w czasie mieszania roztworów kwasów z solami. Przykładem jest reakcja kwasu solnego z azotanem(V) srebra.
HCl + AgNO3 ---> AgCl(osad) + HNO3 Przykładem reakcji przebiegającej według mechanizmu jonowego jest reakcja zobojętniania.
HCl + NaOH ---> NaCl + H2O |