Hemijske veze. Polarnost hemijske veze i molekula.

Polarnost veze i molekula je nešto što neki ljudi slabije razumeju pa ću prvenstveno to probati ovde da objasnim. Usput, spomenuću i osnovne tipove hemijskih veza i kako one nastaju. Hemijske veze sam želeo da izbegnem jer ima toliko tema razrađenih i napisanih po knjigama i internetu da je to vrlo lako naučiti, ali ipak sam odlučio da je zbog detaljnijeg objašnjena neophodno da spomenem neke od najbitnijih stvari.

Valentni elektroni. Luisove formule.

Da bi smo razumeli kako dva ili više atoma formiraju vezu moramo da znamo šta su valentni elektroni. Svi znamo da se atom sastoji iz jezgra i omotača. U jezgru imamo protone p⁺ i neutrone n⁰. U omotaču se nalaze elektroni e^- koji se kreću po energetskim nivoima:

Kao što vidimo na slici, na primeru atoma ugljenika, atom ima ukupno 6 elektrona. Taj podatak pronalazimo u periodnom sistemu elemenata gde ugljenik ima redni broj 6 (6 elektrona i 6 protona). 2 elektrona se nalaze na prvom energetskom nivou (kružnica bliža jezgru) i to je maksimalan broj elektrona koje može prvi energetski nivo da primi. Drugi energetski nivo (druga kružnica) sadrži 4 elektrona. Inače, on može da primi maksimalno 8 elektrona. To je kako izgleda to u prostoru. Inače se to piše elektronskom konfiguracijom:

1s² 2s²2p²

Zašto i kako se pišu elektronske konfiguracije, mislim da je takođe lako dostupno, ukoliko se ne predomislim i to napišem i objasnim u nekoj od tema.

Dakle, Ako imamo atom C kao što je prikazan na slici on formira veze sa drugim atomima tako što se njegovi elektroni uparuju sa elektronima tog drugog elementa. Ali ne svi elektroni, već samo valentni. A valentni elektroni su oni koji se nalaze na poslednjem energetskom nivou. U našem slučaju to su 4 elektrona koja ima atom C (spoljašnja kružnica). To vam je kao kada stavite dve kugle sladoleda u činiju. Kugle se pri dodiru spajaju i delimično mešaju, ali osim ukoliko vi ne upotrebite silu, one će se dodirivati i mešati samo po spoljašnosti, a ne i po unutrašnjosti. To je prost primer, a razlog kod atoma je taj da u vezama atoma učestvuju samo valentni elektroni, jer da bi učestvovali i unutrašnji bilo bi neophodno da se i dva pozitivna jezgra približe jedan drugom, što je, složićete se jako nepovoljno. Neko bi onda mogao da pita "ok, ako približavamo + i + odbijaće se, kao kod jezgra, ali zar onda ne bi trebali i elektroni sa jednog i drugog atoma da se odbijaju jer su oba negativna?". Da, elektroni su negativni i odbijaju se, ali kada nastaje veza ti elektroni ostaju zajedno, u paru jer  se postiže konfiguracija plemenitog gasa, što će naravno biti spomenuto i objašnjeno u daljem tekstu.

Ok, dakle utvrdili smo šta su valentni elektroni. Oni se crtaju u Luisovim formulama u obliku tačkica. Hajde da odredimo valentne elektrone elemenata počev od Li do F.

Kako se inače to najlakše određuje za početne elemente (sve do Cl, kasnije važe ista pravila ali dolazi do nekih izuzetaka). Elementi od Li pa sve do F se nalaze u drugoj periodi. To znači da se njihovi valentni elektroni nalaze na drugom energetskom nivou (perioda = energetski nivo valentnih elektrona). Ako se nalaze na drugom, to znači da zanemarujemo elektrone sa prvog valentnog nivoa. Prvi valentni nivo ima 2 elektrona. Dakle, Li kako ima redni broj 3 (3 elektrona i 3 protona) to znači da on ima 3-2=1 valentni elektron. Na ovaj način izračunamo i za sve ostale članove. E sad, rekli smo da se kod Luisovih formula elektroni crtaju u obliku tačkica. Te tačke okružuju naš element ali postoji pravilo kojim se crtaju. Crtaju se na četiri strane, ispod, iznad, levo i desno od elementa kao što je prikazano na slici. Ako imamo 4 elektrona rasporedićemo ih po redosledu od 1 do 4 kao što je prikazano za neki element X, ali ako imamo više od 4 valentan elektrona moramo da ih "uparimo" sa već nacrtana 4 elektrona po redosledu koji je prikazan sa elementom Y:

Redosled pisanja nije bitan koliko je bitno da kada imate manje od 5 elektrona oni svi moraju biti nespareni, ako imate 5 ili više da moraju biti spareni ali tako da ih sparimo na pravilan način. Evo kako izgledaju Luisove formule valentnih elektrona našeg niz elemenata:

Vidimo da Li ima 1 valentni elektron, a poslednji F ih ima 7. Da bi smo najlakše objasnili kako dva atoma formiraju vezu spomenućemo još i H. Vodonik ima jedan jedini elektron, dakle ima Luisovu formulu:

H ∙

Uzmimo jedinjenje HF. Sa crteža Luisovih formula, vidimo da H ima 1 elektron a F ih ima 7. Atom F ima 1 nesparen elektron (ostalih 6 su spareni), pa će on onda spariti taj jedan svoj nespareni elektron sa elektronom H. Evo kako to izgleda:

Zašto njima odgovara da upare svoje elektrone? Zašto se ti elektroni ne odbijaju? Sve se to dešava jer na taj način elementi postižu stanje plemenitog gasa. Šta to znači prostije rečeno? To znači da sada H ima isti broj elektrona kao plemeniti gas He (redni broj 2) jer ima jedan svoj elektron (crvene boje) i 1 elektron koji potiče od F (zelene boje). F sa druge strane ima oko sebe 8 elektrona na poslednjem energetskom nivou, odnosno 2 sa prvog energetskog nivoa koji zanemarujemo pri crtanju i ovih 8 = 10 elektrona, koliko ih ima plemeniti gas Ne.

Vi možete da probate da nacrtate za jedinjenje CH₄. Videli bi ste da imamo po jedan atom H na sve 4 strane C i atomi vodonika bi imali po 2 elektrona a atom C ukupno 8 (4 svoja i 4 od cetiri atoma H).

Ok, naučili smo i razumeli kako nastaju veze. Ali postoje tipovi te veze, načini kako se uparuju ti elektroni i šta se sa njima dalje dešava. Pa na osnovu toga postoje jonska, kovalentna i metalna veza. Ja ću vam, za sada objasniti samo kovalentnu i jonsku vezu u kratkim crtama.

Jonska i kovalentna veza.

 Naučili smo da veza nastaje tako što atomi međusobno dele elektrone, ali to nije baš u potpunosti tačno. Sve to je gore navedeno je ispravno, ali kada jednom dva ili više atoma upare svoje elktrone, nastaje problem u nekim slučajevima i zato postoje tipovi tih veza, tipovi tih deljenja elektrona.

Hajde da uporedimo navedeni molekul CH₄ i uzmimo molekul NaCl.

I sada se podsetimo elektronegativnosti koju smo spomenuli na početku posta/teme "Kiseline i baze. Elektronegativnost". Hajde da uporedimo elektronegativnosti naših elemenata. Elektronegativnost C je 2,55 a H 2,2. To su jako slične vrednosti. Atom C ima neznatno veću vrednost elektronegativnosti pa i to privlaćenje koje vrši je slabo. S druge strane, elektronegativnost Cl je 3,16 a Na 0,93 što je veoma velika razlika. Zato Cl kao elektronegativniji atom privlači sebi elektrone, kao što smo već o tome učili u navedenom postu/temi.

Kada imamo atome koji u vezi imaju slične elektronegativnosti ili pak elektronegativnosti čije razlike nisu velike, onda kažemo da oni dele taj elektronski par kao što je slučaj za atom CH₄ kažemo da je to kovalentna veza, a kada imamo atome kod kojih jedan atom mnogo jače privlači sebi elektrone onda kažemo da imamo jonsku vezu kao za slučaj NaCl i u tom slučaju nemamo deljenje veze, jer kako Cl veoma jako privlači sebi elektrone lako je razoriti tu vezu. E sad, postoje i kovalentne veze gde će atomi imati znatnu razliku u elektronegativnosti, ali ta razlika neće biti dovoljno velika, kao što je velika kod jonskih jedinjenja.

Naravno, nađite definicije u svojim knjigama ili na internetu, postoji još dosta o ovoj temi, nemoguće je da navedem sve definicije, osim toga, to inače nije predmet ovog bloga, teme bi bile ogromne, ali mislim da će vam sada te stvari u knjigama i na internetu biti mnogo jasnije. Ali, hajde da sada skontamo još neke logične i bitne pojave koje će nam koristiti da razumemo još neke stvari, a zatim prelazimo na polarnost.

Dakle imamo NaCl, znamo da ima jonsku vezu, znamo i zašto, a učili smo u temi "Endotermni i Egzotermni procesi. Rastvaranje i Kristalizacija" da se NaCl rastvara u vodi i kakav je to proces (endoterman), ali hajde da probamo da razumemo zašto voda rastvara NaCl molekul? Voda prilazi kristalnoj rešetci NaCl i odvaja Na⁺ i Cl^- jone. Zašto? Zato što je to jonska veza, Cl je privukao sebi elektronski par, odnosno vezu. Na je sada praktično bez elektrona i on je sada delimično pozitivan, jer ima svoje jezgro sa pozitivnim protonima i ima sada jedan elektron manje, jer ga je Cl privukao sebi. Kada dodje molekul vode i proba da odvoji Na od Cl u kristalnoj rešetci oni se lako odvajaju jer se "ne drže čvrsto", ta veza je bliža Cl i ta veza puca. Ali puca tako da taj 1 valentni elektron koji je imao Na ostaje Cl. Zato sada imamo jon Na⁺, jer mu nedostaje taj elektron, a imamo i jon Cl^- jer ima jedan elektron viška, elektron koji je uzeo od Na. Ovo privlačenje elektrona od strane Cl u molekulu NaCl ne treba bukvalno da shvatite da je Cl uzeo taj elektron. Ne, on ga je sebi privukao (tj vezu), tek kada dođe do raskidanja te veze atom Cl uzima taj elektron od Na.

Šta je sa kovalentnim vezama?

Jedinjenja sa kovalentnim vezama se i rastvaraju i ne rastvaraju u vodi. To sada zavisi od polarnosti veze. Naravno biće objašnjeno.

Sve navedeno do sada o kovalentnim i jonskim vezama je bilo u kratkim crtama. Naravno, opet naglašavam da se morate više informisati, postoje definicije koje ćete sada nadam se lako razumeti i primeri ovih veza i još neka objašnjena o tome kako se određuje polarnost, tj kako se računa. Izračunavanje polarnosti je lako, ali samo razumevanje polarnosti veze i molekula je na internetu najčešće veoma loše objašnjeno, te ću u daljem tekstu probati to da vam objasnim tako da logično razumete i kasnije sami odredite da li je neki molekul polaran.

Polarnost veze.

Kovalentna veza može biti polarna i nepolarna. Šta to znači, kako se određuje, sve će biti objašnjeno ali moramo krenuti polako i od početka. Jedna od definicija jonske veze je da je jonska veza, veza izmedju metala i nemetala. Kovalentna veza je veza izmedju dva atoma slične elektronegativnosti ili veza između istih atoma npr molekul kiseonika. Za primer uzećemo molekule CH₄ i H₂O. Oba molekula imaju kovalentnu vezu. Ali hajde da vidimo kakvu elektronegativnost imaju atomi u toj vezi. Elektronegativnost, stalno je spominjemo. Dakle, C i H imaju sličnu elektronegativnost, već smo to gore naveli. C ima malo veću elektronegativnost pa veoma slabo privlači elektrone. Ako kod CH₄ molekula C privlači elektrone, to znači da H ostaje delimično bez elektrona, ali bitno je da se napomene da to nije jako privlačenje kao kod Na-Cl veze. Dakle C privlači elektrone sa sva 4 atoma H, veoma slabo, ali ih ipak privlači. To se crta vektorima, tj strelicama na sl način:

Dakle, elektroni u vezi idu ka C. Ako idu ka C to znači on postaje negativan (zbog viška elektrona) a atomi H pozitivni (zbog manjka elektrona).  To zanči da je veza polarna. Svaka veza izmedju dva različita elementa je uvek makar malo polarna jer ne postoje dva različita elementa sa istim vrednostima za elektronegativnost. Kada je veza polarna to se prikazuje na sl način:

C←H

Gde strelica predstavlja vezu, elektronski par koji je pomeren ka C zbog svoje veće elektronegativnosti. Dakle veza je polarna, ali to ne mora da znači automatski da je i sam molekul polaran. Ako želimo da odredimo da li je molekul polaran ili ne moramo da gledamo gornju sliku, slika koja prikazuje veze u  molekulu CH₄ u obliku vektora.

Sada možemo da odredimo da li je molekul polaran ili nije. To se određuje sabiranjem vektora, uči se iz matematike i fizike, ali hajde opet da probamo da razumemo to logično. Naravno, pravilnije je određivanje polarnosti sabiranjem vektora, ali postoji jedan moj metod kojim sam ja kao klinac lako to određivao.

Ove strelice možemo da zamislimo kao da imamo dva čoveka koji vuku kanap. Jači čovek će privući sebi ovog drugog čoveka, logično. Ako sada zamislimo da imamo 3 čoveka kao na slici

ako imamo crvenog čoveka koji predstavlja 1 atom i dva crna coveka (neka druga dva ista atoma) onda neće doći do nikakvog pomeranja jer ma ko bio jači sva trojica će mirovati. Naravno, crni čovečuljci su iste snage, jer su to isti atomi iste elektronegativnosti pa ne dolazi do pomeranja, jer ako su npr. crni jači, levi će vući u levu stranu crvenog čoveka, ali desni će takođe vući u istu stranu istom snagom pa se niko neće pomeriti. Ako bi sada zamislili 5 čoveka, crveni u sredini a 4 iste snage oko njega po rasporedu kao što je to slučaj za naš CH₄ molekul, opet ne bi došlo do pomeranja jer bi sva četiri čoveka vukla crvenog čoveka istom snagom kako su to isti atomi i poništavala jedan drugog (levi i desni bi se medjusobno poništavali, a gornji i donji bi se međusobno poništavali) te se crveni čovečuljak opet ne bi pomerao. A to nepomeranje, tj kada se poništava to povlačenje znači da imamo nepolaran molekul. Dakle, naš molekul bi bio nepolaran, jer iako imamo 4 polarne veze, celokupan molekul je nepolaran. Isto se dobija kada bi se sabrali vektori tih veza, imali bi smo nepolaran moleku. Savetujem svejedno da naučite sabiranje vektora, bilo vama jasno ovo moje objašnjenje sa čovečuljcima ili ne.

Pre nego što pređemo na molekul vode, hajde da uzmemo molekul CH₃Cl, to znači da smo jedan molekul H zamenili atomom Cl. Da li je on polaran? On jeste polaran, jer je atom Cl sada rasturio ravnotežu. Hlor je najelektronegativniji, on privlači sebi elektrone, i iako C vuče ka sebi elektrone od H, Cl vuče elektrone sa C sa kojim je vezan i nemamo privlačenje u istim pravcima, pa je molekul polaran. Molekul CCl₄ bi takođe bio nepolaran, po istoj logici kao za CH₄ molekul.

Nadam se da je ovo bilo logično, ukoliko vam ova metoda nije baš najjasnija, sa sabiranje vektora će vam biti jasno.

Molekul vode izgleda ovako:

H - O - H

Kiseonik  je elektronegativniji, vuče elektrone od H pa je veza polarna H → O, ali ako bi smo posmatrali ceo molekul

H → O ← H

Rekli bi smo po onoj logici 3 čoveka koja vuku kanape da je ovaj molekul nepolaran. Međutim on je polaran, a razlog je sledeći: kiseonik ima slobodne elektronske parove. Šta su sada slobodni elektronski parovi? Hajde da nacrtamo Luisovu formulu molekula H₂O.

Vidimo da imamo i po dva elektrona iznad i ispod atoma O. To su naravno njegovi valentni elektroni i ti elektroni se nazivaju slobodnim elktronskim parovima (slobodni jer ne učestvuju u vezama). Ti slobodni elektronski parovi utiču da molekul H-O-H ne izgleda tako, kao prava linija već je ta veza savijena.

Zato je ovaj molekul polaran, jer bi onda ovako raspoređena 3 čoveka se pomerila, ne bi spoljašnji čovečuljci poništavali jedan drugog jer se ne nalaze u pravoj liniji. Ili zbir vektora ne bi bio 0. O ovim slobodnim elektronskim parovima, biće reči u nekoj drugoj temi, jer dosta utiču na hemijske veze i ponašanje elemenata i molekula. Naravno da bi ste odredili da li neki molekul sadrži slobodne elktronske parove crtali bi ste mu Luisovu formulu.

Molekul vode je dakle polaran. Polaran znači da ima jedan pozitivan i jedan negativan kraj. Kako je molekul kiseonika elektronegativniji, te privlači elektronske parove iz veza sa atomima vodonika on predstavlja negativan kraj molekula, a dva atoma H kako su sada "ogoljena" predstavljaju + kraj molekula.

Zato molekul vode i prilazi rešetci NaCl i orjentiše se i rastvara NaCl. Na je + a Cl - kod molekula NaCl, pa se voda orjentiše tako da + deo molekula vode (2 atoma H) priđe negativnom Cl, a kada ka  pozitivnom Na priđe molekul vode on se orjentiše sa svojim - krajem (atom O).