WIĄZANIA CHEMICZNE

Badania struktury związków chemicznych oraz natury wiązań pomiędzy atomami wchodzącymi w skład cząsteczki należą do najważniejszych zadań chemii i fizyki chemicznej. Na bliższe wniknięcie w istotę wiązań chemicznych oraz zbadanie natury sił działających pomiędzy atomami pozwolił rozwój nauki o budowie atomu. Według obecnych poglądów wiązania chemiczne wytwarzają się na skutek oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy elektronami i jądrami łączących się atomów. Teoria wiązań chemicznych uwzględnić jednak musi specyficzne prawa rządzące światem atomów i cząsteczek elementarnych; zachowanie się elektronów w cząsteczce, podobnie jak i elektronów w atomie, musi być zatem opisywane prawami mechaniki kwantowej.

Charakter wiązania chemicznego i jego własności  zależą od wielu czynników, np. od ładunku jąder atomowych, konfiguracji elektronowych, rozmiarów łączących się atomów. Czynniki te zmieniają się, gdy przechodzimy od pierwiastka do pierwiastka. Powoduje to znaczną różnorodność wiązań chemicznych spotykanych w naturze.

Substancje chemiczne o wiązaniu zasadniczo atomowym bardzo często wykazują pewną biegunowość cząsteczki, która doprowadza do wytworzenia sił jonowych. W ten sposób może mieć miejsce stopniowe przejście od wiązania atomowego do jonowego. Tego rodzaju zmiany typu wiązania zachodzą tym wyraźniej, im bardziej elektroujemny pierwiastek znajduje się w cząsteczce, a więc szczególnie w związkach z fluorowcami jako pierwiastkami o największym powinowactwie elektronowym. Prowadzi to do stopniowego przesunięcia środka ciężkości powłoki elektronowej w kierunku pierwiastka bardziej elektroujemnego, podczas gdy biegun dodatni pozostaje w okolicy pierwiastka mniej elektroujemnego. 

GENEZA WIĄZANIA JONOWEGO

Koncepcja wiązania jonowego (zwanego także heteropolarnym) pochodzi od Koszela. Punktem wyjścia w rozważaniach był fakt wyjątkowej bierności chemicznej gazów szlachetnych (helowców) wykazujący, że konfiguracja ośmioelektrodowa, oktet ns2 p6 (konfiguracja dwuelektrodowa, dublet 1s2 w przypadku helu), najbardziej zewnętrznej powłoki elektronowej jest szczególnie trwała. Na tej podstawie została wysunięta hipoteza, że atomy innych pierwiastków łącząc się ze sobą, a więc tworząc układ bardziej trwały niż wolne atomy, przyjmują analogiczną konfigurację elektronową jak gazy szlachetne. Według Koszela, jeżeli powstaje wiązanie jonowe, atomy dwóch łączących się pierwiastków zyskują konfiguracje elektronowe gazów szlachetnych w ten sposób, że atomy pierwiastka określonego jako elektrododatni tracą swoje elektrony walencyjne na rzecz atomów drugiego pierwiastka, elektroujemnego. Atom A oddaje atomowi B tyle elektronów, aby powstały jony Az+ i Bz- mające wspomniane konfiguracje elektronowe. Wytworzone w ten sposób jony, dodatni i ujemny, przyciągające się dzięki działaniu sił elektrostatycznych, tworzą w przypadku ciał stałych uporządkowaną strukturę.

Miarę nierównomierności rozkładu dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych stanowi moment dipolowy, który w przypadku czystego wiązania atomowego wynosi zero. Przykładem tego może być cząsteczka H2 lub N2. Dla cząsteczki o wiązaniu czysto jonowym istnieje moment dipolowy różny od zera, w związkach o wiązaniu atomowym, lecz składających się z chemicznie różnych atomów, istnieją warunki sprzyjające biegunowości, a zatem wystąpieniu udziału wiązania jonowego, zaznaczającego się momentem dipolowym. Do takich związków należą halogenowodory. Zróżnicowanie ładunków elektrycznych jest tylko częściowe, a powiązanie atomów w cząsteczkę następuje zarówno dzięki siłom wiązania atomowego, jak i jonowego.

Analizując zmiany elektroujemności na tle układu okresowego można przewidzieć, że wiązania jonowe będą tworzyć się przede wszystkim w związkach chemicznych zbudowanych z pierwiastków grupy 1. lub 2. i 17. Analizując sposób tworzenia się wiązania w NaCl, dla którego ΔE=2,1 bierze się pod uwagę analizę konfiguracji elektronowej atomów sodu i chloru oraz elektroujemności tych pierwiastków, co pozwala przewidzieć, że w celu uzyskania konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego atom sodu odda jeden elektron, a atom chloru go przyjmie. Powstanie wtedy jon sodu Na+ i jon chlorkowy Cl-. Po przekazaniu elektronu powstają więc dwa jony o przeciwnych znakach, które przyciągają się siłami elektrostatycznymi. Prowadzi to do utworzenia obojętnego związku chlorku sodu NaCl.

WIĄZANIE JONOWE (wiązanie heteropolarne, wiązanie elektrowalencyjne, wiązanie elektrowalentne) wywołane jest więc elektrostatycznym przyciąganiem się jonów o przeciwnych znakach. Wiązanie jonowe powstaje w wyniku przekazania jednego lub więcej elektronów z zewnętrznej powłoki (elektrony walencyjne) przez atom o mniejszej elektroujemności atomowi o elektroujemności większej. Wiązanie jonowe jest więc krańcowym przypadkiem polarności wiązania atomowego. Wiązanie jonowe rzadko występuje w formie czystej. Niemal czyste wiązania jonowe w występują w halogenkach metali alkalicznych w stanie pary (potasowców, szczególnie w kryształach fluorku cezowego), a także np. ich dimeryM2X2. Na ogół, aby wiązanie się wytworzyło, różnica elektroujemności w skali Paulinga musi być większa lub równa 1,7. Jednak granica, przy której tworzy się wiązanie jonowe jest bardzo płynna, ponieważ zależy ona od wielu różnych czynników. Np: we fluorowodorze różnica elektroujemności między fluorem a wodorem wynosi aż 1,9 a mimo to wiązanie F-H ma inny charakter (kowalencyjny spolaryzowany).

PRZYKŁADY ZWIĄKÓW ZAWIERAJĄCYCH WIĄZANIA JONOWE

Jako przykład można rozpatrzyć chlorek sodu NaCl. Atom sodu wykazuje konfigurację elektronową1s2 2s2 p6 3s1. Usunięcie jednego elektronu przeprowadza go w jon Na+ o konfiguracji elektronowej 1s2 2s2 p6 , takiej samej jak konfiguracja neonu.

Elektrony oddawane przez atomy sodu są przyłączane do atomów chloru (konfiguracja 1s2 2s2 p6 3s2 p5), które przechodząc w jony chlorkowe zyskują konfigurację argonu 1s2 2s2 p6 3s2 p6.

Innym przykładem związku jonowego jest fluorek wapnia CaF2. Atomy wapnia o konfiguracji 1s2 2s2 p6 3s2 p6 4s2 oddając po dwa elektrony przechodzą w jony Ca2+ o konfiguracji argonu 1s2 2s2 p6 3s2 p6. Atomy fluoru (1s2 2s2 p5) przyłączając jeden elektron przechodzą w jony fluorkowe, F-, o konfiguracji neonu 1s2 2s2 p6.

Wiązanie jonowe tworzy się wówczas, gdy atomy jednego z reagujących pierwiastków łatwo oddają elektrony, natomiast atomy drugiego łatwo przyłączają elektrony. Nie można jednak oczekiwać takiego przekazania elektronów i utworzenia jonów, jeżeli obydwa rodzaje atomów wykazują taka samą lub zbliżoną tendencje do przyjmowania i oddawania elektronów.

PODSUMOWANIE: Istotą wiązania jonowego jest oddziaływanie elektrostatyczne między jonami powstającymi na skutek przeniesienia elektronu z atomu mniej elektroujemnego do atomu bardziej elektroujemnego w celu uzyskania przez nie konfiguracji gazu szlachetnego.