Co utrzymuje atomy razem? Wiązania jonowe, kowalencyjne i metaliczne

Dlaczego atomy się łączą

Atomy łączą się, ponieważ pozwala im to osiągnąć trwalszy układ elektronów zewnętrznych, często pełną powłokę zewnętrzną jak u gazu szlachetnego. Uczestniczą w tym tylko elektrony zewnętrzne, czyli walencyjne, a atomy mogą je oddać, przyjąć lub uwspólnić. Każdy wybór prowadzi do innego rodzaju wiązania.

Wiązania jonowe: oddawanie i przyjmowanie elektronów

Wiązanie jonowe zwykle powstaje między metalem a niemetalem. Atom metalu oddaje elektrony i staje się jonem dodatnim, a atom niemetalu je przyjmuje i staje się jonem ujemnym. Przeciwne ładunki silnie się przyciągają i to przyciąganie jest wiązaniem jonowym.

Klasycznym przykładem jest sól kuchenna. Atom sodu oddaje swój jeden elektron zewnętrzny atomowi chloru, tworząc Na⁺ i Cl⁻. Kryształ soli nie zawiera osobnych par NaCl. Zamiast tego każdy jon Na⁺ jest otoczony sześcioma jonami Cl⁻, a każdy Cl⁻ sześcioma jonami Na⁺, w powtarzającym się sześciennym wzorze zwanym siecią krystaliczną.

Związki jonowe to zwykle twarde, kruche ciała stałe o wysokich temperaturach topnienia: sól topi się w 801 °C. W stanie stałym nie przewodzą prądu, ale przewodzą po stopieniu lub rozpuszczeniu w wodzie, ponieważ jony mogą się wtedy swobodnie poruszać.

Wiązania kowalencyjne: uwspólnianie elektronów

Wiązanie kowalencyjne zwykle powstaje między dwoma atomami niemetali. Żaden z atomów nie przyciąga elektronów na tyle mocno, by odebrać je drugiemu, więc uwspólniają one parę elektronów. Wspólna para jest przyciągana przez oba jądra, co utrzymuje atomy razem. Grupę atomów połączonych w ten sposób nazywa się cząsteczką.

W cząsteczce wody, H₂O, atom tlenu uwspólnia jedną parę elektronów z każdym z dwóch atomów wodoru. Tlen miał na początku 6 elektronów zewnętrznych, a teraz ma wokół siebie 8, a każdy wodór ma teraz 2, czyli pełną pierwszą powłokę. Atomy mogą też uwspólniać dwie pary, tworząc wiązanie podwójne jak w O₂, lub trzy pary, tworząc wiązanie potrójne jak w N₂.

Wiele substancji kowalencyjnych ma niskie temperatury topnienia i wrzenia, więc w temperaturze pokojowej są często gazami lub cieczami; woda wrze w 100 °C. Nieliczne, jak diament, tworzą ogromne sieci wiązań kowalencyjnych i są niezwykle twarde.

Wiązania metaliczne: morze elektronów

W metalu atomy uwalniają swoje elektrony zewnętrzne do wspólnej puli, która swobodnie porusza się w całym metalu. Pozostaje regularny układ dodatnich jonów metalu, utrzymywanych razem przez to „morze” elektronów. Przyciąganie między jonami a poruszającymi się elektronami jest wiązaniem metalicznym.

Swobodne elektrony przenoszą prąd elektryczny, dlatego z miedzi robi się przewody, i przenoszą ciepło, dlatego metalowa łyżka w gorącej zupie szybko się nagrzewa. Ponieważ wiązania nie są utrwalone między konkretnymi atomami, warstwy jonów mogą się po sobie przesuwać, więc metale się wyginają i można je rozklepywać w blachy, zamiast się kruszyć.

Przewidywanie wiązania na podstawie elektroujemności

Elektroujemność mierzy, jak silnie atom przyciąga wspólne elektrony. Aby porównać dwa atomy, odejmij mniejszą wartość od większej. Orientacyjnie różnica poniżej około 0,4 oznacza, że elektrony są uwspólnione niemal po równo (wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane), różnica od około 0,4 do 1,7 oznacza, że są uwspólnione nierówno (wiązanie kowalencyjne spolaryzowane), a różnica powyżej około 1,7 zwykle oznacza wiązanie jonowe.

Chlorek sodu: 3,16 − 0,93 = 2,23, więc wiązanie jest jonowe. Woda: tlen (3,44) i wodór (2,20) różnią się o 1,24, więc wiązania O–H są kowalencyjne spolaryzowane. Tlen przyciąga wspólne elektrony bliżej siebie i ma niewielki ładunek ujemny, a atomy wodoru są lekko dodatnie. Gazowy chlor, Cl₂: 3,16 − 3,16 = 0, więc elektrony są uwspólnione idealnie po równo.

Te progi są jedynie orientacyjne, a podręczniki podają nieco inne liczby, ponieważ wiązanie to w rzeczywistości skala płynna. Skrót sprawdza się przez większość czasu: metal + niemetal daje wiązanie jonowe, niemetal + niemetal daje kowalencyjne, a metal + metal daje metaliczne.