Jakie właściwości mają substancje o wiązaniach kowalencyjnych?

Wszędzie dookoła nas mamy do czynienia ze związkami chemicznymi – powietrze, którym oddychamy, woda, którą pijemy, ziemia, po której chodzimy. Wszystkie przedmioty zbudowane są z różnych pierwiastków chemicznych lub ich związków. W powietrzu możemy znaleźć azot, którego zawartość wynosi około 78% objętościowych, tlen, zawartość w przybliżeniu to 21% oraz inne gazy, jak chociażby gaz szlachetny argon, stanowiące razem około 1%. Woda to z kolei nic innego jak tlenek wodoru, obecna również w postaci pary wodnej w powietrzu, zaś w skład litosfery wchodzi między innymi tlenek krzemu(IV).

W jaki sposób zbudowane są te związki? W przypadku azotu i tlenu mamy do czynienia z dwuatomowymi cząsteczkami, a ich atomy połączone są wiązaniem kowalencyjnym niespolaryzowanym. Jest to wiązanie chemiczne tworzone między atomami pierwiastków, dla których różnica elektroujemności wynosi poniżej 0,4. Argon nie tworzy cząsteczek - występuje w postaci pojedynczych atomów. W przypadku gazów szlachetnych, często mówi się o ich jednoatomowych cząsteczkach. Z drugiej strony, jeżeli chodzi o wodę i tlenek krzemu(IV), to w ich cząsteczkach występuje już inny rodzaj wiązania kowalencyjnego – kowalencyjne spolaryzowane. Tworzy się ono między atomami charakteryzującymi się dużą różnicą elektroujemności – większą niż 0,4, ale mniejszą niż 1,7. Tylko pamiętaj przy tym, że te wartości mają charakter umowny.

Związki o wiązaniach kowalencyjnych różnią się między sobą właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Wynika to przede wszystkim z różnicy polarności ich cząsteczek, co przekłada się na ich inną rozpuszczalność. Związki o wiązaniach atomowych niespolaryzowanych niechętnie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak na przykład woda, a mimo to często wchodzą z nią w reakcje chemiczne. Z kolei związki o wiązaniach kowalencyjnych spolaryzowanych rozpuszczają się chętnie w rozpuszczalnikach polarnych i nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych, jak na przykład tetrachlorometan, dichlorometan lub heksan.

Porównując ze sobą związki kowalencyjne należące do jednej grupy, np. fluorowców, zauważymy, że posiadają one odmienne temperatury topnienia i wrzenia, ponieważ rosną wraz ze wzrostem liczby atomowej. Ma to również związek z promieniami atomów fluorowców tworzących te cząsteczki. Promień atomowy rośnie wraz ze wzrostem liczby atomowej w danej grupie, a im większy promień, tym silniejsze są siły Van der Waalsa pomiędzy cząsteczkami fluorowca. Właśnie dlatego temperatury topnienia i wrzenia rosną wraz ze wzrostem siły tych oddziaływań.

W przypadku związków, których cząsteczki zbudowane są z atomów różnych pierwiastków, często w ich cząsteczkach występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Na tej podstawie można zauważyć, że polarność tych cząsteczek ma wpływ także na temperatury topnienia i wrzenia. Związki organiczne mogą posiadać grupy funkcyjne kilku rodzajów, jak na przykład hydroksylowa, aminowa, karboksylowa czy nitrowa, co ich zwiększa polarność.

Wyobraźmy sobie trzy cząsteczki, etan, etanol oraz etano-1,2-diol. Etan nie posiada grup funkcyjnych, ale ma najniższą temperaturę wrzenia. Etanol posiada jedną grupę hydroksylową oraz znacznie wyższą temperaturę wrzenia od etanu, a z kolei etano-1,2-diol posiada dwie grupy hydroksylowe i ma najwyższą temperaturę wrzenia. Jest to spowodowane obecnością oddziaływań dipol-dipol pomiędzy cząsteczkami etanolu lub etano-1,2-diolu, których oddziaływań brakuje w przypadku niepolarnej cząsteczki etanu. Dodatkowo w tym przypadku grupa hydroksylowa, poza zwiększeniem polarności łańcucha węglowego, umożliwia wytworzenie wiązania wodorowego – słabego wiązania, które tworzy się między atomem wodoru danej cząsteczki a silnie elektroujemnym atomem tlenu innej cząsteczki tego związku.

Jak można zauważyć, związki kowalencyjne są niejednakowe. Poza wymienionymi różnicami istnieje jeszcze wiele innych, jak choćby ich barwa, ale nie mają one już tak istotnego znaczenia jak rozpuszczalność czy różnice w temperaturach topnienia i wrzenia. Warto zapamiętać, jak kluczowa jest elektroujemność atomów budujących daną cząsteczkę, polarność, czy występowanie lub brak oddziaływań międzycząsteczkowych na zmianę tych właściwości.