Konsep ikatan kimia tidak kalah pentingnya dalam berbagai bidang kimia sebagai ilmu pengetahuan. Ini disebabkan oleh fakta bahwa dengan bantuannya atom-atom individu dapat bergabung menjadi molekul, membentuk semua jenis zat, yang, pada gilirannya, merupakan subjek penelitian kimia.
Keragaman atom dan molekul dikaitkan dengan munculnya berbagai jenis ikatan di antara mereka. Kelas molekul yang berbeda dicirikan oleh fitur distribusi elektronnya sendiri, dan karenanya jenis ikatannya sendiri.
Konsep dasar
Ikatan kimia adalah serangkaian interaksi yang mengarah pada pengikatan atom untuk membentuk partikel stabil dari struktur yang lebih kompleks (molekul, ion, radikal), serta agregat (kristal, gelas, dll.). Sifat dari interaksi ini adalah listrik di alam, dan mereka muncul selama distribusi elektron valensi dalam atom yang mendekat.
Valensi biasanya disebut kemampuan suatu atom untuk membentuk sejumlah ikatan tertentu dengan atom lain. Dalam senyawa ionik, jumlah elektron yang diberikan atau dilampirkan diambil sebagai nilai valensi. PADAdalam senyawa kovalen, itu sama dengan jumlah pasangan elektron yang sama.
Bilangan oksidasi dipahami sebagai muatan bersyarat yang mungkin ada pada atom jika semua ikatan kovalen polar adalah ionik.
Keragaman ikatan adalah jumlah pasangan elektron bersama antara atom-atom yang dipertimbangkan.
Ikatan yang dibahas dalam berbagai cabang kimia dapat dibagi menjadi dua jenis ikatan kimia: ikatan yang mengarah pada pembentukan zat baru (intramolekul), dan ikatan yang muncul di antara molekul (antarmolekul).
Karakteristik komunikasi dasar
Energi ikat adalah energi yang diperlukan untuk memutuskan semua ikatan yang ada dalam suatu molekul. Ini juga merupakan energi yang dilepaskan selama pembentukan ikatan.
Panjang ikatan adalah jarak antara inti atom yang berdekatan dalam suatu molekul, di mana gaya tarik-menarik dan tolak-menolak seimbang.
Dua karakteristik ikatan kimia atom ini adalah ukuran kekuatannya: semakin pendek panjangnya dan semakin besar energinya, semakin kuat ikatannya.
Sudut ikatan biasanya disebut sudut antara garis yang diwakili yang melewati arah ikatan melalui inti atom.
Metode untuk mendeskripsikan tautan
Dua pendekatan paling umum untuk menjelaskan ikatan kimia, dipinjam dari mekanika kuantum:
Metode orbital molekul. Dia menganggap molekul sebagai satu set elektron dan inti atom, dengan masing-masing elektron bergerak di bidang aksi semua elektron dan inti lainnya. Molekul memiliki struktur orbital, dan semua elektronnya didistribusikan di sepanjang orbit ini. Juga, metode ini disebut MO LCAO, yang merupakan singkatan dari "orbital molekul - kombinasi linier orbital atom".
Metode ikatan valensi. Merupakan molekul sebagai sistem dua orbital molekul pusat. Selain itu, masing-masing sesuai dengan satu ikatan antara dua atom yang berdekatan dalam molekul. Caranya berdasarkan ketentuan sebagai berikut:
- Pembentukan ikatan kimia dilakukan oleh sepasang elektron dengan spin berlawanan, yang terletak di antara dua atom yang dipertimbangkan. Pasangan elektron yang terbentuk dimiliki oleh dua atom yang sama.
- Jumlah ikatan yang dibentuk oleh satu atau lain atom sama dengan jumlah elektron tidak berpasangan pada keadaan dasar dan keadaan tereksitasi.
- Jika pasangan elektron tidak ikut serta dalam pembentukan ikatan, maka disebut pasangan elektron bebas.
Elektronegativitas
Jenis ikatan kimia pada zat dapat ditentukan berdasarkan perbedaan nilai keelektronegatifan atom-atom penyusunnya. Keelektronegatifan dipahami sebagai kemampuan atom untuk menarik pasangan elektron yang sama (awan elektron), yang mengarah pada polarisasi ikatan.
Ada berbagai cara untuk menentukan nilai keelektronegatifan unsur kimia. Namun, yang paling umum digunakan adalah skala berdasarkan data termodinamika, yang diusulkan kembali pada tahun 1932 oleh L. Pauling.
Semakin besar perbedaan keelektronegatifan atom, semakin nyata ionitasnya. Sebaliknya, nilai elektronegativitas yang sama atau dekat menunjukkan sifat kovalen ikatan. Dengan kata lain, dimungkinkan untuk menentukan ikatan kimia mana yang diamati dalam molekul tertentu secara matematis. Untuk melakukan ini, Anda perlu menghitung X - perbedaan keelektronegatifan atom sesuai dengan rumus: X=|X 1 -X 2 |.
- Jika >1, 7, maka ikatannya ionik.
- Jika 0,5≦ΔХ≦1,7, maka ikatan kovalen bersifat polar.
- Jika=0 atau mendekatinya, maka ikatan tersebut kovalen non-polar.
ikatan ionik
Ionik adalah ikatan yang muncul antara ion atau karena penarikan lengkap pasangan elektron yang sama oleh salah satu atom. Pada zat, jenis ikatan kimia ini dilakukan oleh gaya tarik-menarik elektrostatik.
Ion adalah partikel bermuatan yang terbentuk dari atom sebagai akibat dari perolehan atau pelepasan elektron. Ketika sebuah atom menerima elektron, ia memperoleh muatan negatif dan menjadi anion. Jika sebuah atom menyumbangkan elektron valensi, ia menjadi partikel bermuatan positif yang disebut kation.
Ini adalah karakteristik senyawa yang terbentuk dari interaksi atom logam biasa dengan atom nonlogam biasa. Inti dari proses ini adalah aspirasi atom untuk memperoleh konfigurasi elektronik yang stabil. Dan untuk ini, logam dan non-logam khas perlu memberi atau menerima hanya 1-2 elektron,yang mereka lakukan dengan mudah.
Mekanisme pembentukan ikatan kimia ionik dalam molekul secara tradisional dianggap menggunakan contoh interaksi natrium dan klorin. Atom logam alkali dengan mudah menyumbangkan elektron yang ditarik oleh atom halogen. Hasilnya adalah kation Na+ dan anion Cl-, yang disatukan oleh gaya tarik elektrostatik.
Tidak ada ikatan ion yang ideal. Bahkan dalam senyawa seperti itu, yang sering disebut sebagai ionik, transfer akhir elektron dari atom ke atom tidak terjadi. Pasangan elektron yang terbentuk masih tetap umum digunakan. Oleh karena itu, mereka berbicara tentang tingkat ionisitas ikatan kovalen.
Ikatan ionik ditandai oleh dua sifat utama yang saling terkait:
- non-directional, yaitu medan listrik di sekitar ion berbentuk bola;
- Ketidakjenuhan, yaitu jumlah ion bermuatan berlawanan yang dapat ditempatkan di sekitar ion apa pun, ditentukan oleh ukurannya.
Ikatan kimia kovalen
Ikatan yang terbentuk ketika awan elektron atom non-logam tumpang tindih, yaitu, dilakukan oleh pasangan elektron yang sama, disebut ikatan kovalen. Jumlah pasangan elektron bersama menentukan multiplisitas ikatan. Jadi, atom hidrogen dihubungkan oleh satu ikatan H··H, dan atom oksigen membentuk ikatan rangkap O::O.
Ada dua mekanisme pembentukannya:
- Pertukaran - setiap atom mewakili satu elektron untuk pembentukan pasangan yang sama: A +B=A: B, sedangkan koneksi melibatkan orbital atom eksternal, di mana satu elektron berada.
- Donor-akseptor - untuk membentuk ikatan, salah satu atom (donor) menyediakan sepasang elektron, dan yang kedua (akseptor) - orbital bebas untuk penempatannya: A +:B=A:B.
Cara di mana awan elektron tumpang tindih ketika ikatan kimia kovalen terbentuk juga berbeda.
- Langsung. Wilayah tumpang tindih awan terletak pada garis imajiner lurus yang menghubungkan inti atom yang dipertimbangkan. Dalam hal ini, ikatan terbentuk. Jenis ikatan kimia yang terjadi dalam hal ini tergantung pada jenis awan elektron yang mengalami tumpang tindih: ikatan s-s, s-p, p-p, s-d atau p-d. Dalam sebuah partikel (molekul atau ion), hanya satu ikatan yang dapat terjadi antara dua atom yang bertetangga.
- Sisi. Itu dilakukan di kedua sisi garis yang menghubungkan inti atom. Beginilah cara ikatan terbentuk, dan variasinya juga dimungkinkan: p-p, p-d, d-d. Terpisah dari ikatan, ikatan tidak pernah terbentuk, bisa dalam molekul yang mengandung ikatan rangkap (ganda dan rangkap tiga).
Sifat ikatan kovalen
Mereka menentukan sifat kimia dan fisika senyawa. Sifat utama dari setiap ikatan kimia dalam zat adalah arah, polaritas dan polarisasi, serta saturasinya.
Arah ikatan menentukan ciri-ciri molekulstruktur zat dan bentuk geometris molekulnya. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa tumpang tindih terbaik awan elektron dimungkinkan dengan orientasi tertentu di ruang angkasa. Pilihan untuk pembentukan ikatan - dan telah dipertimbangkan di atas.
Saturasi dipahami sebagai kemampuan atom untuk membentuk sejumlah ikatan kimia dalam suatu molekul. Jumlah ikatan kovalen untuk setiap atom dibatasi oleh jumlah orbital terluar.
Polaritas ikatan tergantung pada perbedaan nilai keelektronegatifan atom. Ini menentukan keseragaman distribusi elektron antara inti atom. Ikatan kovalen atas dasar ini dapat bersifat polar atau non-polar.
- Jika pasangan elektron yang sama dimiliki oleh masing-masing atom dan terletak pada jarak yang sama dari intinya, maka ikatan kovalen adalah non-polar.
- Jika pasangan elektron yang sama digeser ke inti salah satu atom, maka ikatan kimia kovalen polar terbentuk.
Kemampuan Polarisabilitas dinyatakan dengan perpindahan elektron ikatan di bawah aksi medan listrik eksternal, yang mungkin berasal dari partikel lain, ikatan tetangga dalam molekul yang sama, atau berasal dari sumber eksternal medan elektromagnetik. Jadi, ikatan kovalen di bawah pengaruhnya dapat mengubah polaritasnya.
Di bawah hibridisasi orbital, pahami perubahan bentuknya dalam penerapan ikatan kimia. Ini diperlukan untuk mencapai tumpang tindih yang paling efektif. Ada beberapa jenis hibridisasi berikut:
- sp3. Satu s- dan tiga orbital p membentuk empatorbital "hibrida" dengan bentuk yang sama. Dari luar, menyerupai tetrahedron dengan sudut antara sumbu 109 °.
- sp2. Satu s- dan dua orbital p membentuk segitiga datar dengan sudut antara sumbu 120°.
- sp. Satu s- dan satu p-orbital membentuk dua orbital "hibrida" dengan sudut antara sumbunya 180°.
ikatan logam
Fitur struktur atom logam adalah radius yang agak besar dan keberadaan sejumlah kecil elektron di orbital terluar. Akibatnya, pada unsur kimia tersebut, ikatan antara inti dan elektron valensi relatif lemah dan mudah putus.
Ikatan logam adalah interaksi antara atom-ion logam, yang dilakukan dengan bantuan elektron yang terdelokalisasi.
Dalam partikel logam, elektron valensi dapat dengan mudah meninggalkan orbital terluar, serta menempati tempat kosong di atasnya. Jadi, pada waktu yang berbeda, partikel yang sama dapat berupa atom dan ion. Elektron yang terlepas dari mereka bergerak bebas di seluruh volume kisi kristal dan melakukan ikatan kimia.
Jenis ikatan ini memiliki kemiripan dengan ikatan ionik dan kovalen. Seperti halnya untuk ion, ion diperlukan untuk keberadaan ikatan logam. Tetapi jika untuk pelaksanaan interaksi elektrostatik dalam kasus pertama diperlukan kation dan anion, maka dalam kasus kedua, peran partikel bermuatan negatif dimainkan oleh elektron. Jika kita membandingkan ikatan logam dengan ikatan kovalen, maka pembentukan keduanya membutuhkan elektron yang sama. Namun, ditidak seperti ikatan kimia polar, ikatan tersebut tidak terlokalisasi di antara dua atom, tetapi milik semua partikel logam dalam kisi kristal.
Ikatan logam bertanggung jawab atas sifat khusus hampir semua logam:
- plastisitas, hadir karena kemungkinan perpindahan lapisan atom dalam kisi kristal yang dipegang oleh gas elektron;
- kilau logam, yang diamati karena pantulan sinar cahaya dari elektron (dalam bentuk bubuk tidak ada kisi kristal dan, oleh karena itu, elektron bergerak di sepanjang itu);
- konduktivitas listrik, yang dilakukan oleh aliran partikel bermuatan, dan dalam hal ini, elektron kecil bergerak bebas di antara ion logam besar;
- konduktivitas termal, diamati karena kemampuan elektron untuk mentransfer panas.
ikatan hidrogen
Jenis ikatan kimia ini kadang-kadang disebut sebagai perantara antara interaksi kovalen dan antarmolekul. Jika atom hidrogen memiliki ikatan dengan salah satu unsur yang sangat elektronegatif (seperti fosfor, oksigen, klorin, nitrogen), maka ia dapat membentuk ikatan tambahan, yang disebut hidrogen.
Ini jauh lebih lemah daripada semua jenis ikatan yang dibahas di atas (energi tidak lebih dari 40 kJ/mol), tetapi tidak dapat diabaikan. Itulah sebabnya ikatan kimia hidrogen pada diagram terlihat seperti garis putus-putus.
Terjadinya ikatan hidrogen dimungkinkan karena interaksi elektrostatik donor-akseptor pada saat yang bersamaan. Perbedaan besar dalam nilaikeelektronegatifan menyebabkan munculnya kerapatan elektron berlebih pada atom O, N, F dan lainnya, serta kekurangannya pada atom hidrogen. Jika tidak ada ikatan kimia yang ada antara atom-atom tersebut, gaya tarik menarik diaktifkan jika mereka cukup dekat. Dalam hal ini, proton adalah penerima pasangan elektron, dan atom kedua adalah donor.
Ikatan hidrogen dapat terjadi baik antara molekul tetangga, misalnya, air, asam karboksilat, alkohol, amonia, dan di dalam molekul, misalnya, asam salisilat.
Keberadaan ikatan hidrogen antara molekul air menjelaskan sejumlah sifat fisiknya yang unik:
- Nilai kapasitas panas, konstanta dielektrik, titik didih dan titik lelehnya, sesuai dengan perhitungan, harus jauh lebih kecil daripada yang sebenarnya, yang dijelaskan oleh ikatan molekul dan kebutuhan untuk mengeluarkan energi untuk memutuskan ikatan hidrogen antarmolekul.
- Tidak seperti zat lain, ketika suhu turun, volume air meningkat. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa molekul menempati posisi tertentu dalam struktur kristal es dan bergerak menjauh satu sama lain dengan panjang ikatan hidrogen.
Hubungan ini memainkan peran khusus bagi organisme hidup, karena keberadaannya dalam molekul protein menentukan struktur khusus mereka, dan karenanya sifat-sifatnya. Selain itu, asam nukleat, yang membentuk heliks ganda DNA, juga dihubungkan secara tepat oleh ikatan hidrogen.
Komunikasi dalam kristal
Sebagian besar padatan memiliki kisi kristal - khusussusunan bersama dari partikel-partikel yang membentuknya. Dalam hal ini, periodisitas tiga dimensi diamati, dan atom, molekul, atau ion terletak di simpul, yang dihubungkan oleh garis imajiner. Tergantung pada sifat partikel dan ikatan di antara mereka, semua struktur kristal dibagi menjadi atom, molekul, ionik dan logam.
Ada kation dan anion di simpul kisi kristal ionik. Selain itu, masing-masing dari mereka dikelilingi oleh sejumlah ion yang ditentukan secara ketat dengan hanya muatan yang berlawanan. Contoh khas adalah natrium klorida (NaCl). Mereka cenderung memiliki titik leleh dan kekerasan yang tinggi karena membutuhkan banyak energi untuk memecahnya.
Molekul zat yang dibentuk oleh ikatan kovalen terletak di simpul kisi kristal molekul (misalnya, I2). Mereka terhubung satu sama lain oleh interaksi van der Waals yang lemah, dan oleh karena itu, struktur seperti itu mudah dihancurkan. Senyawa tersebut memiliki titik didih dan titik leleh yang rendah.
Kisi kristal atom dibentuk oleh atom-atom unsur kimia dengan nilai valensi tinggi. Mereka dihubungkan oleh ikatan kovalen yang kuat, yang berarti bahwa zat-zat tersebut memiliki titik didih, titik leleh, dan kekerasan yang tinggi. Contohnya adalah berlian.
Dengan demikian, semua jenis ikatan yang ditemukan dalam bahan kimia memiliki karakteristiknya masing-masing, yang menjelaskan seluk-beluk interaksi partikel dalam molekul dan zat. Sifat-sifat senyawa tergantung pada mereka. Mereka menentukan semua proses yang terjadi di lingkungan.
