WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Transkrypt

1 WIĄZANIA Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

2 Przyciąganie Wynika z elektrostatycznego oddziaływania między elektronami a dodatnimi jądrami atomowymi. Może to być klasyczne przyciąganie kulombowskie (wiązanie jonowe) ale może też mieć zupełnie inną naturę. Ze względu na rodzaj sił przyciągających wiązania można podzielić na: Jonowe Kowalencyjne Metaliczne Molekularne Wodorowe. Odpychanie Gdy atomy zbliżą się do siebie tak blisko, że chmury elektronowe zaczynają się na siebie nakładać, to wskutek zakazu Pauliego pojawia się bardzo silne odpychanie: U(r) = be r ρ U(r) = A, n r n = 10 12

3 STABILNA CZĄSTECZKA: ENERGIA MINIMALNA odpychanie: ~r -10 Energia = 0 atomy ze sobą nie oddziałują Energia < 0 atomy się przyciągają i utworzyły stabilny układ (zysk energetyczny) Energia > 0 atomy się odpychają 0 ENERGIA 0 przyciąganie: np. ~ r -1 STABILNA CZĄSTECZKA: SIŁA = 0 odpychanie: ~r -11 Siła = 0 atomy są w położeniach równowagowych (albo związane ze sobą, albo daleko od siebie) Siła < 0 atomy się przyciągają Siła > 0 atomy się odpychają 0 SIŁA 0 przyciąganie: np. ~ r -2

4 O tym, czy i jakie wiązanie utworzą dane atomy decyduje konfiguracja elektronowa atomów Bardziej praktyczne wielkości, które decydują o powstaniu wiązania to: ENERGIA JONIZACJI POWINOWACTWO ELEKTRONOWE ELEKTROUJEMNOSĆ Energia jonizacji atomu Energia potrzebna aby oddalić elektron od atomu lub cząsteczki (E j ). Zawsze dodatnia. + -

5 Powinowactwo elektronowe Energia, która się wydzieli wskutek dołączenia elektronu do atomu lub molekuły. (E A ) Może być dodatnia lub ujemna. + - Elektroujemność Elektroujemność jest miarą zdolności atomu do przyciągania elektronów. Istnieje wiele definicji. Np. (E j + E A )/2

6

7 Podstawowe cechy charakteryzujące wiązania w ciele stałym: Długość wiązania. Kąty między wiązaniami. Energia. Precyzyjniej: energia spójności kryształu. Kierunkowośc wiązań. WIĄZANIE JONOWE Przeniesienie elektronów z jednego atomu na drugi (jonizacja); Powstają JONY o zamkniętych powłokach; JONY mając przeciwne znaki przyciągają się. WIĄZANIE POWSTANIE JEŚLI ZYSK ENERGETYCZNY Z PRZYCIĄGANIA COULOMBA PRZEWYŻSZY ENERGIĘ POTRZEBNĄ DO JONIZACJI ATOMÓW

8 KF Krok 1: Jonizacja atomów K i F. K(g) K + (g) + e - E = IE 1 = +419 kj mol -1 F(g) + e - F - (g) E = -EA = -328 kj mol -1 Razem: K(g) + F(g) K + (g) + F - (g) E = (-328) = +91 kj mol -1 K + F - -przyciąganie Siła Coulomba: E coul = Z 1 Z 2 e2 4πε 0 R Zysk energii wynikający z przyciągania jonów : E coul = -640 kj mol -1 Wiedząc, że R e = 217nm, jest odległością między jonami w cząsteczce KF. W sumie: E = (+91) + (-640) = -549 kj mol -1

9 Związki jonowe tworzą się pomiędzy atomami o małej energii jonizacji (grupa I) a atomami o dużym powinowactwie elektronowym (grupa VII) Energia spójności kryształu jonowego Energia pary jonów o ładunkach +e i e: 2 e A U (r) = + 4πε r r 0 n n Przyciąganie Coulomba Odpychanie Energia kryształu o 2N jonach: U(r) 2 αe A N + 4πε0r r n = n Gdzie α jest tzw. stalą Madelunga

10 Energia spójności kryształu jonowego Po znalezieniu minimum energii w funkcji r (minimum energii jest gdy odległość między sąsiednimi jonami wynosi r 0 ): 2 Nαe U(r) = 4πε0r0 1 1 n Własności wiązania jonowego 1. Związki jonowe tworzą się pomiędzy atomami o małej energii jonizacji (grupa I) a atomami o dużym powinowactwie elektronowym (grupa VII); 2. Duża energia spójności ( temperatura topnienia); 3. Ładunek skupiony jest w centrum jonów, nie ma ładunku między jonami;

11 3. Ładunek skupiony jest w centrum jonów Jony tego samego znaku odpychają się muszą być daleko od siebie; Jony przeciwnego znaku przyciągają się dużo jonów dodatnich powinno otaczać jon ujemny ( i odwrotnie);

12 Własności wiązania jonowego 4. Wiązanie bezkierunkowe; 5. Nie wszystkie struktury krystaliczne są możliwe. Możliwe są: Struktura CsCl

13 Możliwe są: Struktura NaCl Możliwe są: Struktura ZnS

14 O tym, która struktura powstanie decyduje energia (a energia zależy od promieni jonowych) Promienie jonowe

15 Promienie jonowe, r k /r a r kation r anion LK ZnS < NaCl CsCl 4

16 Wiązanie kowalencyjne wspólne Raz na s Raz na lat Nie jest to zwykłe nałożenie chmur elektronowych: Zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii:

17 Przykłady wiązań kowalencyjnych Mogą utworzyć się z takich samych orbitali (np. H- H, Cl-Cl itp. Przykłady wiązań kowalencyjnych Mogą utworzyć się z orbitali różnych, ale o tej samej symetrii względem osi wiązania:

18 Przykłady wiązań kowalencyjnych- orbitale zhybrydyzowane Węgiel: 1s 2 2s 2 2p 2 nie jest metalem, ponieważ korzystniejsza energetycznie jest hybrydyzacja orbitali: wzbudzenie elektronu z zamkniętej powłoki 2s i jego hybrydyzacja albo: sp sp 2 sp 3

19 Własnosci wiazania kowalencyjnego: 1. Wiązanie tworzą: a) pierwiastki niemetaliczne z wyjątkiem gazów szlachetnych (C, Si, Ge); b) Cząsteczki chemiczne (Cl 2, H 2,..); c) Cząsteczki złożone z różnych ale o podobnej elektroujemności pierwiastków (HCl, AsGa, związki organiczne); 2. Kryształy są twarde i kruche; Własnosci wiazania kowalencyjnego: 3. Wiązanie jest silne; 4. Wysoka temperatura topnienia; 5. Wiązanie kierunkowe; 6. Najczęściej spotykane struktury krystaliczne: struktura diamentu;

20 Własnosci wiazania kowalencyjnego: 7. Mała gęstość upakowania i liczba koordynacyjna; 8. W obszarze pomiędzy atomami jest duza koncentracja ładunku. Ładunek jest zwiazany (Izolatory lub półprzewodniki). Wiązanie metaliczne Elektrony walencyjne poruszają się prawie swobodnie pomiędzy dodatnimi jonami, ekranując w ten sposób ładunek dodatnich rdzeni jonowych. Wypadkowe przyciąganie między elektronami i jonami stanowi wiązanie metaliczne. Im lepsze ekranowanie, im więcej elektronów, tym lepiej silniejsze wiązanie.

21 Wiązanie metaliczne Właściwości wiązania metalicznego 1. Wiązanie jest bezkierunkowe. Im więcej elektronów uczestniczy w tworzeniu wiązania, tym lepiej. +ve ion cores -ve electron sea

22 Właściwości wiązania metalicznego 2. Duża gęstość upakowania; 3. Metale krystalizują najczęściej w następujących strukturach krystalicznych:

23 Właściwości wiązania metalicznego 4. niezbyt silne wiązanie (UWAGA: wolfram); 5. duże przewodnictwo elektryczne i cieplne; 6. łatwo można wytworzyć dyslokacje, co ma wpływ na właściwości mechaniczne. Wiązania pomiędzy cząsteczkami: Przyciąganie między dipolami (mogą to być też tylko chwilowe dipole),

24 Wiązanie wodorowe W biologicznych makromolekułach: α-spiral of the proteins

25 Zmniejszenie gęstości przy zamarzaniu