Reakcje chemiczne zachodzą, gdy atomy zbliżą się do siebie. W zależności od rodzaju atomów, reakcje te mogą zachodzić poprzez oddziaływania (siły):

• odpychające, które wynikają z nakładania się powłok elektronowych (efekty kwantowe) i oddziaływania elektrostatycznego jednoimiennych ładunków;

• przyciągające, które wynikają z oddziaływania elektrostatycznego różnoimiennych ładunków, np. oddziaływań między elektronami a jądrami atomowymi oraz ze zmian rozkładu gęstości ładunków.

Niepodważalna w przyrodzie tendencja (prawo) dążenia do osiągnięcia minimalnej energii dotyczy także atomów i jest przyczyną tworzenia się wiązań chemicznych – atomy łączą się, jeżeli jest to korzystne energetycznie.

Cząsteczka wodoru jest najprostszym przykładem cząsteczki zawierającej wiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjne. Podczas tworzenia się wiązania orbitale 1s obydwu atomów nakładają się na siebie, tworząc część wspólną. Zgodnie z teorią wiązań walencyjnych Lewisa, strukturę cząsteczki przedstawia się następująco:

R1TU8LroTGmIk

Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę wodoru przedstawioną na trzy różne sposoby. Pierwszy to dwa atomy wodoru reprezentowane przez symbole wodoru $\text{H}$. Litery te połączone są kresą ($\text{H}$ kreska $\text{H}$). Kreska symbolizuje wiązanie, czyli parę elektronową łączącą dwa atomy. Inny sposób pokazuje dwa połączone ze sobą atomy wodoru (reprezentowane każdy przez symbol wodoru $\text{H}$). Pomiędzy atomami znajduje się para elektronowa, elektrony te zostały przedstawione jako dwie kropki, tworzące wiązanie. Trzecią strukturę stanowi model kulkowo‑pręcikowy. Dwa atomy wodoru symbolizowane są przez szare kulki połączone prętem. Na każdej kulce znajduje się symbol wodoru $\text{H}$.

Na poniższej grafice przedstawiono wykres zmian energii w zależności od odległości między atomami $\left(r\right)$.

R11VNyE8F5BWV

Ilustracja przedstawiająca wykres zależności energii $\text{U}$ od odległości pomiędzy atomami $\text{r}$. Oś pionowa reprezentuje energię $\text{U}$, zaś oś pozioma odpowiada odległości pomiędzy atomami $\text{r}$. Na ilustracji znajdują się trzy różne krzywe odpowiadające różnym energiom. Pierwsza to energia odpychania ${\text{U}}_{\text{odp}}$ wykres odpowiada funkcji malejącej, posiadającej dwie asymptoty. Druga energia wiązania ${\text{U}}_{\text{wiązania}}$ reprezentowana jest przez funkcję, która maleje, przecinając oś poziomą, następnie osiąga minimum i zaczyna łagodnie rosnąć wzdłuż osi poziomej. Wspomniane minimum odpowiada energii minimalnej. Ostatnia krzywa reprezentuje energię przyciągania ${\text{U}}_{\text{przyciągania}}$. Krzywa ta znajduje się poniżej osi poziomej i stanowi odwzorowanie funkcji rosnącej, zbieżnej do osi poziomej.

Poniżej przedstawiono cząsteczkę ${\text{H}}_2$ z zaznaczoną odległością pomiędzy atomami.

RQ5r9eGPwm0aX

Ilustracja przedstawiająca przybliżenie się dwóch atomów wodoru na odległość $\text{r}$ oraz utworzenie wiązania kowalencyjnego. Dwie czarne kulki symbolizują jądra atomów, zaś dwie szare kuliste chmury wokół nich symbolizują chmurę elektronową. Chmury nakładają się na siebie. Nad nimi znajduje się wzór $\text{r = }\frac{\text{d}}{\text{2}}$, gdzie $\text{d}$ to odległość pomiędzy jądrami atomów.

Tworząc wiązanie, każdy atom wodoru, który ma jeden elektron, przez uwspólnianie elektronów z drugim atomem, osiąga pożądaną konfigurację wypełnionej powłoki – konfigurację gazu szlachetnego, w tym przypadku helu.

W opisie, który proponuje teoria orbitali molekularnych, powstawanie wiązania wiąże się z występowaniem w cząsteczce nowych orbitali. Dla cząsteczki wodoru z dwóch orbitali 1s powstają dwa orbitale molekularne σsigma (sigma), czyli jeden orbital wiążący 1σsigma i jeden niewiążący 1σsigma. Para elektronowa tworząca wiązanie zajmuje orbital wiążący.

Zarówno atom chloru, jak i sodu dążą do uzyskania stabilnej energetycznie konfiguracji elektronowej, ale uzyskują ją na dwa odmienne sposoby: atom sodu oddaje elektron, natomiast atom chloru przyjmuje elektron. W przypadku sodu, kation ${\text{Na}}^{+}$ $1s^2 2s^2 2p^6$ ma konfigurację neonu, a anion ${\text{Cl}}^{-}$ $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ – konfigurację argonu. Dzieje się tak, ponieważ posiadanie zapełnionej powłoki walencyjnej zapewnia stabilność i nieaktywność (tak jak w przypadku gazów szlachetnych).

Sód może osiągnąć stabilność, tracąc jeden elektron, chlor – osiąga pożądany stan oktetu, przechwytując elektron. Nie jest więc dziwne, że gdy te atomy znajdą się w pobliżu (umieścimy sód w atmosferze chloru), zajdzie gwałtowna reakcja.

R1dfhAa4P1T72

Diagram poziomów energetycznych sodu i chloru wraz ze schematycznym przedstawianiem utworzenia odpowiednich jonów, na skutek przeniesienia elektronu z orbitalu $\text{3s}$ atomu sodu na orbital $\text{3p}$ atomu chloru. Poziomy energetyczne atomu sodu, na dole schematu najniżej energetyczny orbital $\text{1s}$ obsadzony przez dwa elektrony, co symbolizują dwie strzałki jedna skierowana do góry a druga do dołu. Powyżej znajduje się orbital $\text{2s}$ również obsadzony dwoma elektronami. Następnie $\text{2p}$ posiadające w sumie sześć elektronów (to znaczy trzy pary elektronów takie, że w każdej parze elektrony posiadają przeciwne spiny). Na orbitalu $\text{3s}$ znajduje się jeden elektron, a $\text{3p}$ pozostają puste. W prawej części znajdują się poziomy energetyczne atomu chloru. Najniżej znajduje się poziom orbitalu $\text{1s}$ obsadzony dwoma elektronami. Powyżej znajduje się $\text{2s}$ również z dwoma elektronami. Nad nim orbitale $\text{2p}$, na których rozmieszczonych jest sześć elektronów (trzy pary). Nad nimi znajduje się poziom dla $\text{3s}$ obsadzonego dwoma elektronami. Ostatnie orbitale stanowią trzy orbitale typu p ($\text{3p}$), na których rozmieszczonych jest pięć elektronów, dwie pary i jeden niesparowany elektron. Od strzałki znajdującej się na orbitalu $\text{3s}$ atomu sodu poprowadzono strzałkę do orbitalu $\text{3p}$, na którym zlokalizowany jest jeden elektron (również symbolizowany przez pojedynczą strzałką).

Powstające kationy sodu i aniony chlorkowe przyciągają się wzajemnie (siłami elektrostatycznymi) – tworzy się wiązanie jonowewiązanie jonowewiązanie jonowe. Powstaje kryształ chlorku sodu, w którym każdy kation sodu otoczony jest przez 6 anionów chlorkowych, natomiast każdy anion ${\text{Cl}}^{-}$ przez 6 różnych kationów ${\text{Na}}^{+}$.

RYnn6CgRlsk8F

Ilustracja przedstawiająca komórkę elementarną chlorku sodu, która zbudowana jest z kationów sodowych i anionów chlorkowych. Z czego każdy kation sodowy otoczony jest przez sześć anionów chlorkowych rozmieszczonych na ścianach sześcianu, w którego środku znajduje się kation sodowy. Podobnie każdy anion chlorkowy otoczony jest przez sześć kationów sodowych.

Ilustracja przedstawiająca komórkę elementarną chlorku sodu, która zbudowana jest z kationów sodowych i anionów chlorkowych. Z czego każdy kation sodowy otoczony jest przez sześć anionów chlorkowych rozmieszczonych na ścianach sześcianu, w którego środku znajduje się kation sodowy. Podobnie każdy anion chlorkowy otoczony jest przez sześć kationów sodowych.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DJBRUg3dD

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna, Warszawa 2004, s. 335‑441.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jelińska‑Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., Chemia 1. Podręcznik, Warszawa 2002, s. 134‑167.

Moore J. T., Chemia dla bystrzaków, Gliwice 2015, s. 195‑226.

Pauling L., Pauling P., Chemia, Warszawa 1989, s. 128‑170.