Substancje, które zawierają wiązanie kowalencyjne (nazywane substancjami kowalencyjnymi), to pierwiastki lub związki chemiczne. W stanie stałym tworzą dwa rodzaje kryształów:
kowalencyjne – które są tworzone przez atomy i połączone wiązaniami kowalencyjnymi; charakteryzują się wysokimi temperaturami wrzenia i topnienia, dużą twardością i wytrzymałością mechaniczną, jak np. diament, krzem;
cząsteczkowe – które są tworzone zazwyczaj przez cząsteczki, oddziałujące na siebie słabymi siłami van der Waalsa (znacznie słabszymi niż w kryształach kowalencyjnych, jonowych, metalicznych); charakteryzują się niskimi temperaturami topnienia i wrzenia, niewielką twardością i małą wytrzymałością mechaniczną, jak np. , , .
R1PqCgyoPslcf1
Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.
bg‑violet
Czy substancje kowalencyjne przewodzą prąd elektryczny i rozpuszczają się w wodzie? Jakie mają temperatury topnienia i wrzenia?
Przewodnictwo elektryczne
Aby substancja przewodziła prąd elektryczny, niezbędne są swobodne nośniki prądu (jony, elektrony). Na ogół substancje kowalencyjne nie przewodzą prądu elektrycznego w stanie stałym ani po rozpuszczeniu w wodzie. Wyjątkiem jest grafit, który w stanie stałym jest dobrym przewodnikiem elektronowym. ZdelokalizowanedelokalizacjaZdelokalizowane wiązania pomiędzy atomami węgla umożliwiają swobodny ruch elektronów i przewodzenie prądu.
R93MIw9RJZ06b
Grafit Struktura krystaliczna grafitu – w przeciwieństwie do diamentu, jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Ze względu na fakt, że walencyjne orbitale atomowe węgla ulegają hybrydyzacji sp2, każdy jego atom wykorzystuje trzy z czterech swoich elektronów walencyjnych do tworzenia mocnych wiązań atomowych z innymi atomami w warstwie; czwarty elektron każdego z atomów węgla porusza się swobodnie, tworząc wraz z innymi elektronami tzw. gaz elektronowy. Odległości między warstwami są większe niż odległości między atomami w warstwie. Wiązania między warstwami należą do słabych oddziaływań van der Waalsa.
Ilustracja przedstawiająca strukturę krystaliczną grafitu, którą zbudowana jest z warstw, które tworzą trójwiązalne atomy węgla tworzące płaszczyznę składającą się z sześcioczłonowych pierścieni. Czwarty elektron porusza się swobodnie, zatem z uwagi na rozmycie elektronów pierścienie te mają charakter aromatyczny. Pomiędzy poszczególnymi warstwami występują słabe oddziaływania van der Waalsa. Odległości pomiędzy atomami węgla w sześcioczłonowych pierścieniach wynoszą po 0,142 nanometra, zaś pomiędzy płaszczyznami po 0,67 nanometra. Diament Jest przykładem kryształu kowalencyjnego. Każdy jego atom węgla jest połączony za pomocą jednakowej długości wiązań kowalencyjnych z czterema innymi atomami węgla (hybrydyzacja >sp3). Z uwagi na brak swobodnych elektronów, nie jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności.
Ilustracja przedstawiająca fragment kryształu kowalencyjnego tworzonego przez diament. W sześcianie rozmieszczone są atomy węgla C symbolizowane przez szare kulki tak, że po jednym atomie znajduje się w wierzchołkach sześcianu, a także na środku każdej ściany. oprócz tego cztery atomy znajdują się wewnątrz sześcianu na różnych wysokościach. Każdy atom łączy się z czterema innymi. Krzem Czysty krzem nie przewodzi prądu elektrycznego z uwagi na brak swobodnych elektronów. Przez zastąpienie jego niektórych atomów w sieci przestrzennej atomami innego pierwiastka (np. arsenu, który ma pięć elektronów na powłoce walencyjnej), kryształ zyskuje właściwości półprzewodnikowe. Cztery elektrony atomu arsenu tworzą wiązania z czterema sąsiednimi atomami, a piąty elektron jest swobodny i stanowi nośnik prądu.
Ilustracja składająca się z dwóch rysunków. Pierwszy stanowi budowę sieci krystalicznej krzemu. Każdy atom krzemu symbolizowany przez brązową kulkę łączy się z czterema innymi atomami krzemu, tworząc płaszczyznę. Zaznaczono również elektrony biorące udział w wiązaniach pomiędzy atomami krzemu. Drugi rysunek przedstawia sieć krystaliczną krzemu z wbudowanymi atomami arsenu. Atom arsenu łączy się z czterema atomami krzemu, z uwagi na to, że posiada on pięć elektronów walencyjnych, jeden elektron swobodnie porusza się w sieci, dlatego możliwy jest przepływ prąd. Elektron opuszczając powłokę walencyjną atomu arsenu generuję lukę elektronową, tak zwaną dziurę, zatem atom arsenu zyskuje ładunek dodatni.
Grafit Struktura krystaliczna grafitu – w przeciwieństwie do diamentu, jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Ze względu na fakt, że walencyjne orbitale atomowe węgla ulegają hybrydyzacji sp2, każdy jego atom wykorzystuje trzy z czterech swoich elektronów walencyjnych do tworzenia mocnych wiązań atomowych z innymi atomami w warstwie; czwarty elektron każdego z atomów węgla porusza się swobodnie, tworząc wraz z innymi elektronami tzw. gaz elektronowy. Odległości między warstwami są większe niż odległości między atomami w warstwie. Wiązania między warstwami należą do słabych oddziaływań van der Waalsa.
Ilustracja przedstawiająca strukturę krystaliczną grafitu, którą zbudowana jest z warstw, które tworzą trójwiązalne atomy węgla tworzące płaszczyznę składającą się z sześcioczłonowych pierścieni. Czwarty elektron porusza się swobodnie, zatem z uwagi na rozmycie elektronów pierścienie te mają charakter aromatyczny. Pomiędzy poszczególnymi warstwami występują słabe oddziaływania van der Waalsa. Odległości pomiędzy atomami węgla w sześcioczłonowych pierścieniach wynoszą po 0,142 nanometra, zaś pomiędzy płaszczyznami po 0,67 nanometra. Diament Jest przykładem kryształu kowalencyjnego. Każdy jego atom węgla jest połączony za pomocą jednakowej długości wiązań kowalencyjnych z czterema innymi atomami węgla (hybrydyzacja >sp3). Z uwagi na brak swobodnych elektronów, nie jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności.
Ilustracja przedstawiająca fragment kryształu kowalencyjnego tworzonego przez diament. W sześcianie rozmieszczone są atomy węgla C symbolizowane przez szare kulki tak, że po jednym atomie znajduje się w wierzchołkach sześcianu, a także na środku każdej ściany. oprócz tego cztery atomy znajdują się wewnątrz sześcianu na różnych wysokościach. Każdy atom łączy się z czterema innymi. Krzem Czysty krzem nie przewodzi prądu elektrycznego z uwagi na brak swobodnych elektronów. Przez zastąpienie jego niektórych atomów w sieci przestrzennej atomami innego pierwiastka (np. arsenu, który ma pięć elektronów na powłoce walencyjnej), kryształ zyskuje właściwości półprzewodnikowe. Cztery elektrony atomu arsenu tworzą wiązania z czterema sąsiednimi atomami, a piąty elektron jest swobodny i stanowi nośnik prądu.
Ilustracja składająca się z dwóch rysunków. Pierwszy stanowi budowę sieci krystalicznej krzemu. Każdy atom krzemu symbolizowany przez brązową kulkę łączy się z czterema innymi atomami krzemu, tworząc płaszczyznę. Zaznaczono również elektrony biorące udział w wiązaniach pomiędzy atomami krzemu. Drugi rysunek przedstawia sieć krystaliczną krzemu z wbudowanymi atomami arsenu. Atom arsenu łączy się z czterema atomami krzemu, z uwagi na to, że posiada on pięć elektronów walencyjnych, jeden elektron swobodnie porusza się w sieci, dlatego możliwy jest przepływ prąd. Elektron opuszczając powłokę walencyjną atomu arsenu generuję lukę elektronową, tak zwaną dziurę, zatem atom arsenu zyskuje ładunek dodatni.
Źródło: Anton , CC BY-SA 3.0, Gromar Sp. z o. o. , CC BY-SA 3.0, pixabay.com , domena publiczna.
Temperatury topnienia i wrzenia
Temperatura topnienia i wrzenia związków kowalencyjnych jest ogólnie niższa niż w przypadku związków jonowych. Cząsteczki gazów szlachetnych (tworzące kryształy molekularne) mają dość niskie temperatury wrzenia i topnienia, co jest spowodowane tym, że oddziaływania międzycząsteczkowe są słabe (tabela poniżej).
Tabela 1. Temperatury topnienia i wrzenia helowców na podstawie pl.wikipedia.org.
Helowiec
Temperatura topnienia [K]*
Temperatura wrzenia [K]*
Hel, He
-**
4,22
Neon, Ne
24,56
27,07
Argon, Ar
83,80
87,30
Krypton, Kr
115,80
119,93
Ksenon, Xe
161,40
165,10
Radon, Rn
202,00
211,30
*Pod ciśnieniem normalnym;
**Hel pod normalnym ciśnieniem nie przechodzi w stan stały, nawet w najniższej osiągalnej temperaturze.
Z kolei kryształy kowalencyjne cechują się wysokimi temperaturami topnienia, co wynika z dużej energii wiązań kowalencyjnych.
ReIY9rnNNm6AE
Bor topi się w temperaturze przekraczającej 2000°C. Ilustracja przedstawiająca zdjęcie próbki boru zatopionej w szklanej ampułce. Bor ma postać chropowatej bryłki w kolorze ciemnoszarym, która miejscami połyskuje. Krzem topi się w zakresie temperatur 1410-1414°C. Zdjęcie przedstawiające przetopiony kawałek boru, Jest wyraźnie połyskliwy, ma ciemnoszary kolor.
Bor topi się w temperaturze przekraczającej 2000°C. Ilustracja przedstawiająca zdjęcie próbki boru zatopionej w szklanej ampułce. Bor ma postać chropowatej bryłki w kolorze ciemnoszarym, która miejscami połyskuje. Krzem topi się w zakresie temperatur 1410-1414°C. Zdjęcie przedstawiające przetopiony kawałek boru, Jest wyraźnie połyskliwy, ma ciemnoszary kolor.
Źródło: Enricoros, domena publiczna.
Twardość
Kryształy kowalencyjne są twarde (jak diament), ponieważ ich atomy są silnie związane w sieci krystalicznej, w przeciwieństwie do kryształów molekularnych, których cząsteczki są w stanie do pewnego stopnia poruszać się i czasami mogą to robić także względem siebie. Warstwowa budowa grafitu decyduje o jego łupliwości, dlatego jest tak miękki.
RHVFCPzMWUek3
Zdjęcie przedstawiające zestaw szarych ołówków leżących na białym papierze, które charakteryzuje różna twardość.
Ze względu na kruchość, grafit znalazł zastosowanie jako rysik w ołówkach.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com/pl/, domena publiczna.
W substancjach kowalencyjnych występują wiązania kowalencyjne niespolaryzowanewiązanie kowalencyjne niespolaryzowanewiązania kowalencyjne niespolaryzowane (atomowe) albo kowalencyjne spolaryzowanewiązanie kowalencyjne spolaryzowanekowalencyjne spolaryzowane.
Wśród chemików rozpowszechniony jest pogląd, że „podobne rozpuszcza się w podobnym”. Przeanalizujmy zatem rozpuszczalność obu grup substancji i sprawdźmy, czy ta myśl jest słuszna.
1. Związki, które zawierają wiązania kowalencyjne niespolaryzowane, nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, jak np. wodzie. Jej cząsteczki posiadają niewielki ładunek ujemny na atomie tlenu i niewielki ładunek dodatni na atomie wodoru, co oznacza, że są to cząsteczki polarne. Jednak wiemy przy tym również, że związki kowalencyjne z wiązaniem niepolarnym składają się z obojętnych cząsteczek lub cząsteczek o niewielkich ładunkach. Z tego powodu związki te nie są silnie przyciągane do cząsteczek wody.
Substancje kowalencyjne z wiązaniem kowalencyjnym niespolaryzowanymrozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych (np. benzyna, olej), zgodnie z zasadą „podobne rozpuszcza podobne”.
2. Substancje o wiązaniach silnie spolaryzowanych rozpuszczają się w wodzie i dysocjują na jony, co jest konsekwencją oddziaływań międzycząsteczkowych. Przykładem są wodorki fluorowców i mocne kwasy tlenowe.
RQKTZ1NqAA9Xa1
Ilustracja przedstawiająca nierównomierny rozkład gęstości elektronów w cząsteczce chlorowodoru HCl. Cząsteczka przedstawiona jest w modelu kulkowym tak, że atom wodoru stanowi szarą kulkę przylegającą do kulki zielonej symbolizującej atom chloru. Gęstość elektronowa jest większa w obrębie atomu chloru niż wodoru, co symbolizuje strzałka poprowadzona od atomu wodoru do atomu chloru. Obok wzór cząsteczki H wiązanie pojedyncze Cl wraz z zaznaczonymi ładunkami cząstkowymi delta plus nad atomem wodoru oraz delta minus nad atomem chloru.
Rozkład gęstości elektronów w cząsteczce HCl jest nierównomierny. Gęstość elektronów jest większa wokół jądra atomu chloru. Małe czarne kropki wskazują lokalizację jąder wodoru i chloru w cząsteczce. (b) Symbole δ+ i δ+ wskazują cząstkowe ładunki wiązania H–Cl. Co istotne, na polarność tych wiązań wpływa wartość różnicy elektroujemności między pierwiastkami atomów tworzących wiązania, natomiast polarność całej cząsteczki zależy od jej geometrii.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R8ytaiUhH6XK31
Ilustracja przedstawiająca dwie zlewki. Nad pierwszą zlewką znajduje się strzałka skierowana do jej wnętrza, nad nią znajduje się cząsteczka HCl. W środku znajdują się jony hydroniowe oraz aniony chlorkowe . Liczba jonów obdarzonych ładunkiem dodatnim jest równa liczbie jonów obdarzonych ładunkiem ujemnym. W sąsiedniej zlewce zostało to odwzorowane za pomocą modelu kulkowego. Atom wodoru symbolizuje mała szara kulka , atom chloru większa zielona kulka. W jonach hydroniowych atomy wodoru również symbolizowane są przez szare kulki, zaś atomy tlenu przez kulki czerwone, nieco większe od kulek szarych.
Z uwagi na silną polaryzację wiązania H-Cl, możliwa jest dysocjacja elektrolityczna tego związku w wodzie i rozpad na jony. Aby nie zaciemniać rysunku, na ilustracji pominięto cząsteczki wody. W rzeczywistości powstające jony znajdują się w otoczce z dipoli wody.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Słownik
wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane
wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane
inaczej: atomowe; powstaje między dwoma atomami dzięki „uwspólnieniu” dwóch elektronów, z których każdy pochodzi od innego atomu; para elektronów jest uwspólniona w jednakowym stopniu przez oba atomy (wykazują one identyczną lub zbliżoną elektroujemność)
wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
występuje między atomami różnych pierwiastków; chmura elektronowa, która tworzy to wiązanie, jest przesunięta w stronę atomu pierwiastka o większej elektroujemności
delokalizacja
delokalizacja
przemieszczanie się elektronów w cząsteczce, w wyniku którego elektrony mogą brać udział w tworzeniu więcej niż jednego wiązania
dysocjacja elektrolityczna
dysocjacja elektrolityczna
rozpad cząsteczek na jony (dodatnie i ujemne) pod wpływem wody
cząsteczka polarna
cząsteczka polarna
cząsteczka biegunowa; cząsteczka dipolowa; dipol; cząsteczka utworzona z atomów o różnej elektroujemności, w której nastąpiło wyodrębnienie ładunku dodatniego i ujemnego
Bibliografia
Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.
Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceumogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2004.
Encyklopedia PWN
Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.
