y
Vlnově mechanický model anorganických sloučenin
Vznik kovalentní vazby: Nejjednoduššími látkami jsou prvky. Atomy prvků jsou útvary, tvořené poměrně těžkým atomovým jádrem a lehkým elektronovým obalem. Atomové jádro obsahuje protony a neutrony. Protony jsou nositeli kladných elektrických nábojů a proto také jádro nese kladný elektrický náboj. Kladný elektrický náboj jádra přitahuje elektronový obal. Elektronový obal má záporný elektrický náboj, jehož velikost se v absolutní hodnotě rovná velikosti náboje příslušného jádra. Elektronový obal je tvořen hmotnými částicemi - elektrony. Elektrony jsou lehké částice, které mají vlnový charakter. Představují stojatou vlnu s kmitočtem mnohonásobně větším než je kmitočet protonů. Z chemického hlediska jsou nejdůležitější elektrony elektronového obalu atomu, s nimiž úzce souvisejí chemické změny. Atomy prvků vytvářejí větší útvary - molekuly. Jsou-li molekuly tvořeny atomy téhož druhu, hovoříme o molekulách prvků. Atomy různých druhů tvoří molekuly sloučenin. Atomy v molekulách vytvářejí chemické vazby. Stálost molekuly závisí na stálosti vazby. Podívejme se, jakým způsobem dochází ke vzniku vazby mezi dvěma nejjednoduššími atomy prvku vodíku. Atom vodíku má jádro s jednotkovým elektrickým nábojem i elektronový obal, který představuje oblak jednoho elektronu. Tento elektron je ve stavu 1s. Má kulový tvar, souměrný podle atomového jádra. Dostanou-li se atomy vodíku do těsné blízkosti k sobě, přitažlivé a odpudivé elektrostatické síly obou atomů se začnou vzájemně uplatňovat při vzniku molekuly H2. Atomové jádro jednoho atomu vodíku přitahuje elektron druhého atomu vodíku a rovněž atomové jádro druhého elektronu prvního atomu. Odpudivé síly působí mezi jádry obou atomů a mezi oběma elektrony. Přitažlivé síly se projevují při velkých mezijaderných vzdálenostech, naopak při malých vzdálenostech se významně projevují síly odpudivé. Aby došlo k vazbě při vzájemném působení dvou elektronů, je nutné, aby tyto elektrony měly opačně orientované spiny. Je-li splněna tato podmínka a jsou-li oba atomy v dostatečné blízkosti, vzniká z obou atomových orbitálů (v našem případě 1s) společný molekulový orbitál - elektronový pár, který patří oběma atomům.
Typ vazby σ (s-s): Chemické vazby mezi dvěma atomy mohou vznikat z elektronů v různých stavech. Proto hovoříme o různých typech vazeb. V nejjednodušším případě předchází vzniku vazby průnik dvou elektronových oblaků, z nichž každý je ve stavu s. Takový případ nastává při vzniku molekuly vodíku, jak jsme již poznali na předchozím obraze. Na tomto obraze pozorujeme ještě jednou vznik vazby ze dvou orbitálů s. Tento druh vazby označujeme σ (s-s).
Typ vazby σ (s-p): Elektronový obal složitějších atomů obsahuje vedle orbitálů s orbitály další - p, p. Podívejme se na vznik vazby z jednoho orbitálu s a z jednoho orbitálu p. Po vzájemném proniknutí atomového orbitálu s a p vznikne molekulový orbitál (s-p) se dvěma elektrony o opačných spinech. Všimněte si charakteristického tvaru tohoto molekulového orbitálu, který zveme vazba σ (s-p).
Typ vazby σ (p-p): Vzájemným proniknutím dvou atomových orbitálů p vznikne molekulový orbitál p-p, který je rovněž vazbou σ (p-p).
Typ vazby π (p-p): Dosud jsme poznali 3 typy vazby σ a to a) s-s; b) s-p; c) p-p. Ve všech třech případech je oblast vzájemného proniknutí elektronových oblaků tvořících vazbu rozprostřena mezi oběma atomovými jádry příslušných atomů a všechny tři uvedené typy molekulových orbitálů σ byly souměrné podle osy, kterou je spojnice obou atomových jader. Tato vazba σ je značně stálá. Vazba může však vzniknout i tak, že po proniknutí elektronových oblaků nedojde ke vzniku molekulového orbitálu, který by zaujímal prostor mezi atomovými jádry atomů, zúčastněných na vazbě. Příkladem takové vazby je vazba π, která vznikne vzájemným proniknutím dvou orbitálů py, nebo dvou orbitálů pz. Na obrázku je znázorněn vznik vazby π po proniknutí dvou orbitálů pz. Orbitály se vzájemně přibližují (1) až vzájemně proniknou (2). Mají-li oba elektrony opačné spiny, vznikne orbitál π tvořený dvěma útvary, z nichž jeden je nad a druhý pod osou x. Oba tyto útvary jsou součástí jedné vazby, jednoho orbitálu π. Vazba π je méně stálá než vazba σ. Přítomnost vazby π v molekule znemožňuje otáčivost částí molekuly touto vazbou spojených.
Vznik molekuly kyslíku: Poznali jsme vznik molekuly vodíku H2. Seznámíme se se vznikem molekuly kyslíku O2. Elektronový obal atomu kyslíku je tvořen dvěma elektrony ve stavu 1s, dvěma elektrony ve stavu 2s a čtyřmi elektrony ve stavu 2p. Protože každý z orbitálů může obsahovat dva elektrony o opačných spinech, zbývají celkem dva elektrony ve stavu 2p, které se mohou podílet na vzniku dvou vazeb. Budou-li tyto vazby vytvářet dva atomy kyslíku, vzniknou dvě vazby p-p. Jedna z nich je vazba σ (p-p), jejíž orbitál je rozložen mezi atomovými jádry obou atomů kyslíku. Druhá je vazba π, tvořená dvěma útvary, souměrnými podle roviny xy. (Rovina proložená osami x a y. (Molekulu kyslíku si představujeme jako útvar, znázorněný na obrázku dvojicí spojených kulových úsečí - tzv. kalot.)
Dvojná vazba v molekule O2: Obrázek ukazuje zjednodušeně vznik dvojné vazby molekule kyslíku. Kroužek představuje orbitál a šipka v něm umístěná elektron s příslušným spinem. Dvojnou vazbu vytvářejí dvě dvojice 2p elektronů o opačných spinech.
Vznik molekuly dusíku: Molekula dusíku je tvořena dvěma atomy dusíku. Elektronový obal atomu dusíku obsahuje dva elektrony 1s, a 5 valenčních elektronů, z nichž dva ve stavu 2s a 3 ve stavu 2p. Mohou proto dva atomy dusíku vytvořit tři vazby typu p-p. Jedna z nich je vazba σ (p-p) a je rozložena mezi oběma atomovými jádry atomů dusíku. Druhá a třetí vazba jsou vazby π (p-p). Každá z vazeb π obsahuje dva útvary, souměrné podle roviny, která je proložená dvěma osami. Označíme-li vazbu π1 jako souměrnou podle roviny xz, budou oba útvary vazby π2 souměrné podle roviny xy.
Trojná vazba v molekule N2: Podobně jako u kyslíku znázorníme vznik trojné vazby u dusíku. Tři dvojice 2p elektronů tvoří trojnou vazbu mezi oběma atomy.
Vznik molekuly HF: Dosud jsme sledovali vznik vazeb v molekulách prvků: vodíku, kyslíku a dusíku. Nyní si všimněme vzniku vazby mezi dvěma různými atomy - vodíkem a fluórem. Atom vodíku má jeden atomový orbitál 1s: fluór je složitější. Jeho elektronový obal obsahuje dva elektrony 1s a sedm valenčních elektronů, z toho dva ve stavu 2s a 5 ve stavu 2p. Zbývá tedy jeden elektron 2p, který se může účastnit vzniku vazby. Dojde-li k vzájemnému pronikání atomových orbitálů 1s od atomu vodíku a 2p od atomu fluóru, vznikne mezi oběma atomy vazba σ (s-p), prostorově rozložená mezi atomovými jádry obou zúčastněných atomů - vodíku a fluóru. Tím vznikne molekula fluorovodíku. Atom vodíku však vyniká menší schopností přitahovat elektrony než atom fluóru. Říkáme, že fluór je elektronegativnější prvek než vodík. (Pozn.: Velikost elektronegativity lze měřit a vyjádřit v jednotkách elektronegativity). Elektronegativita fluóru je rovna 3,9, vodíku 2,1; mezi oběma hodnotami je značný rozdíl, tj. 1,8. (Proto v molekulovém orbitálu σ (s-p) je daleko větší pravděpodobnost zvýšené hustoty elektronového oblaku v oblasti atomu fluóru než v oblasti atomu vodíku. Důsledkem toho je vznik pólů na molekule fluorovodíku - kladného u vodíku a záporného u fluóru. Takové vazbě říkáme, že je polarizovaná. Je tedy vazba σ (s-p) v molekule fluorovodíku příkladem polarizované vazby. Polarizaci vazby označujeme symbolicky trojúhelníkem, jehož vrchol směřuje k atomu s kladným nábojem a protilehlá strana k atomu se záporným nábojem. Náboje označujeme rovněž písmenem s příslušným znakem plus anebo minus. (δ+, δ-).
Vazba v molekule HF: Obrázek znázorňuje zjednodušeně vznik polární vazby v molekulu fluorovodíku.
Vznik vazby OH: Velmi častá je vazba mezi vodíkem a kyslíkem. Všimněme si proto vzniku této vazby. Atom vodíku se na ní účastní jedním elektronem ve stavu 1s a kyslík jedním elektronem ve stavu 2p. Jedná se tedy o vazbu σ (s-p). Zbývající 2p elektronový orbitál kyslíku s jedním elektronem je příčinou toho, že skupina OH je jednomocná. Tento orbitál svírá s vazbou OH pravý úhel, k jehož částečné deformaci dochází při vzniku druhé vazby. Také vazba O-H je příkladem polární vazby.
Molekula vody: Voda je příkladem sloučeniny, jejíž molekula obsahuje dvě vazby O-H, se společným kyslíkovým atomem. Obě tyto vazby jsou typu σ (s-p) a svírají úhel 104°. Došlo tedy při vzniku molekuly vody k zvětšení původně pravého úhlu, který svíraly p orbitály atomu kyslíku. Tuto změnu úhlu vazeb připisujeme polaritě vazeb O-H. Molekula vody je polární s kladným pólem na vodíku a se záporným pólem na kyslíku.
Molekula amoniaku: Molekula amoniaku je tvořena čtyřmi atomy, a to jedním atomem dusíku a třemi atomy vodíku. V molekule dusíku existují tři vazby N-H se společným atomem dusíku. Tyto vazby vzniknou proniknutím 1s orbitálů atomů vodíku se 2p orbitály atomu dusíku. Jsou tedy všechny tři vazby N-H v molekule amoniaku typu σ (s-p). Všechny jsou polární a proto v oblasti atomu dusíku je na molekule amoniaku záporný elektrický náboj. Obrázek znázorňuje schematicky vznik molekuly amoniaku. Všimněte si prostorového uspořádání atomů vodíku vůči atomu dusíku v molekule amoniaku. Podobně jako u molekuly vody i v molekule amoniaku dochází k deformaci úhlů mezi vazbami N-H. Tento úhel se rovná 109°. Z toho vyplývá prostorové uspořádání molekuly amoniaku jako nízkého pravidelného jehlanu, jehož plášť je tvořen třemi trojúhelníky; ve vrcholu tohoto jehlanu je atomové jádro dusíku, ve třech vrcholech podstavy jsou atomová jádra atomů vodíku.
Vznik vazby LiF: Obrázek znázorňuje zjednodušeně vznik vazby LiF. Atom lithia má v elektronovém obalu 2 elektrony ve stavu 1s a jeden elektron ve stavu 2s. Je tedy lithium jednomocný prvek s velmi malou elektronegativitou. (Hodnota elneg. Li je 1,00.) Fluór, který jsme již poznali, může do vazby přispět jedním elektronem ve stavu 2p. Vznikne proto mezi oběma atomy velmi silně polarizovaná vazba σ (s-p).
Vznik iontů: Fluorid lithný je za obyčejných podmínek krystalická látka. Krystaly LiF jsou tvořeny krychlovými mřížkami, v nichž se střídají atomy lithia s atomy fluóru. Vazby mezi atomy lithia a fluóru jsou silně polární. Budeme-li zahřívat fluorid lithný na teplotu tání, krystalová mřížka se začne rozpadat. V tavenině budou obsaženy ionty, tj. útvary, s el. náboji. Kladné kationty lithia a záporně nabité anionty fluóru vznikly z původních atomů lithia a fluóru tak, že atomy fluóru zcela přetáhly do svého elektronového obalu valenční elektron, který původně patřil lithiu. Vznik iontů - v našem případě lithia a fluóru - probíhá též při rozpouštění v polárních rozpouštědlech - např. ve vodě.
