Молекули и съединения

Атомите са най-малките единици на материята, които запазват основните химични свойства на елементите. Голяма част от изучаваното по химия включва това какво се случва, когато атомите се свързват с други атоми и образуват съединения. Съединението е отделна група от атоми, които са свързвани с химични връзки. Точно както структурата на атома се поддържа от електростатичното привличане между положително зареденото ядро и отрицателно заредените електрони около него, стабилността в химичните връзки също се дължи на електростатичните привличания. За да покажем това, ще разгледаме двата основни вида химични връзки: ковалентни и йонни връзки. В ковалентните връзки два атома споделят двойки електрони, докато при йонните връзки общата електронна двойка е изцяло прехвърлена от единия атом на другия, при което се образуват йони. Нека разгледаме и двата вида връзки по-подробно.

Ковалентната връзка се образува, когато два атома споделят двойки електрони. В ковалентната връзка стабилността идва от взаимното електростатично привличане между двете положително заредени атомни ядра и споделените отрицателно заредени електрони между тях.

Когато атомите се обединяват, като образуват ковалентна връзка, полученото съединение се нарича молекула. Следователно можем да кажем, че молекулата е най-простата единица на ковалентното съединение. Както ще видим, има различни начини на представяне на молекулите.

Химичните формули (понякога наричани и молекулни формули) са най-простите начини за представяне на молекулите. В една химична формула използваме символите на елементите от периодичната система, за да покажем кои елементи участват, и използваме долни индекси, за да покажем колко атома от даден елемент участват в молекулата. Например една молекула ${\text{NH}}_3$‍ (амоняк) съдържа един азотен атом и три водородни атома. От друга страна една молекула ${\text{N}}_2{\text{H}}_4$‍ (хидразин) съдържа два азотни и четири водородни атома.

Проверка на понятията: Химичната формула на оцетната киселина, често срещана киселина (съдържа се и в оцета) е ${\text{C}}_2{\text{H}}_4{\text{O}}_2$‍. Колко атома кислород има в три молекули оцетна киселина?

Обучението по химия продължава и ще открием, че понякога химиците записват молекулните формули по различни начини. Например, както видяхме току-що, химическата формула на оцетната киселина е ${\text{C}}_2{\text{H}}_4{\text{O}}_2$‍; Въпреки това често ще я виждаме записана като ${\text{CH}}_3\text{COOH}$‍. Причината за този втори вид формула е, че редът, в който се записват атомите, помага да се покаже структурата на молекулата на оцетната киселина (това понякога се нарича "съкратена структурна формула"). Можем да считаме CH${}_3$‍COOH за кръстоска между химичната формула и структурната формула, които ще разгледаме.

Химичните формули ни казват само колко атоми от даден елемент участват в една молекула, а структурните формули ни дават информация за начина, по който атомите са свързани в пространството. В структурните формули действително чертаем ковалентните връзки, които свързват атомите. В последната секция разгледахме химичната формула на амоняка - NH${}_3$‍. Да разгледаме и неговата структурна формула:

От двете структурни формули можем да видим, че централният азотен атом е свързан с всеки водороден атом с единична ковалентна връзка. Не забравяй, че атомите и молекулите, като всичко останало във Вселената, съществуват в три измерения - те имат ширина, дължина и дълбочина. В структурната формула отляво виждаме само двуизмерното приближение на тази молекула. В по-детайлната структурна формула отдясно имаме прекъсната линия, която показва, че най-десният водороден атом е застанал зад равнината на екрана, докато плътната линия показва, че централния водород е застанал пред равнината на екрана. Двете точки над азота бележат несподелена двойка електрони, които не участват в ковалентна връзка. Ще обсъдим значението на тези електрони в края на този раздел. За да покажем тази триизмерна форма още по-точно, можем да разчитаме на пространствените модели и на моделите с топчета. Да разгледаме тези модели за NH${}_3$‍:

Лявото изображение показва пространствен модел на амоняка. Азотният атом е изобразен като по-голямата централна синя сфера, а трите водородни атома са изобразени от белите сфери около нея, които образуват вид трипод. Крайната форма на молекулата е пирамида с азот на върха и триъгълна основа, образувана от трите водородни атома. Както ще научиш, когато се запознаеш с молекулните форми и молекулната геометрия, този вид подреждане е известно като тригонална пирамида. Основното предимство на пространствения модел е, че дава представа за относителните размери на различните атоми - азотът има по-голям атомен радиус от водорода.

Дясното изображение показва модел с топчета на молекулата на амоняка. Както можеш да предположиш, топчетата представляват атомите, а пръчиците, които свързват топчетата, представляват ковалентните връзки между атомите. Предимството на този вид модел е, че можем да видим ковалентните връзки, което ни позволява да видим геометрията на молекулата.

След като вече разбираме ковалентните връзки, можем да поговорим за друг главен вид химична връзка – йонната връзка. За разлика от ковалентните връзки, при които електронните двойки се споделят между атомите, йонната връзка се образува от привличането между два противоположно заредени йона. За да обясним по-добре тези връзки, трябва да разгледаме структурата и образуването на йони.

Припомни си, че неутралните атоми имат еднакъв брой протони и електрони. Ето защо общият положителен заряд на протоните се неутрализира от общия отрицателен заряд на електроните, така че атомът има общ заряд нула.

Ако атомът приеме или отдаде електрони, балансът между протони и електрони се нарушава и атомът се превръща в йон - частица със заряд. Да разгледаме какво се случва, когато неутралният атом отдаде електрон:

На диаграмата по-горе виждаме неутрален атом натрий, Na, който отдава електрон. В резултат натриевият йон, Na${}^{+}$‍, има 11 протона и само 10 електрона. Така натриевият йон има общ заряд 1+, и се превръща в катион - положително зареден йон.

Да разгледаме и образуването на анион - йон с отрицателен заряд.

В тази диаграма виждаме обратния процес на това, което видяхме при натриевият атом. Тук един неутрален хлорен атом, Cl, приема електрон. В резултат се образува хлориден йон, Cl${}^{-}$‍, който има 17 протона и 18 електрона. Тъй като електроните имат заряд 1-, общият заряд на хлоридния йон от допълнителния електрон е 1-. Той се превръща в анион или отрицателно зареден йон.

Забележка: Когато неутралните атоми привлекат електрон(и), за да образуват аниони, те обикновено се именуват с окончание -ид. Например Cl${}^{-}$‍ е хлорид, Br${}^{-}$‍ е бромид, O${}^{2-}$‍ е оксид, N${}^{3-}$‍ е нитрид и т.н.

В тази последна част разгледахме поотделно как натрият отдава електрон и образува катион Na${}^{+}$‍ и как хлорът приема електрон и образува анион Cl${}^{-}$‍. В действителност този процес може да протече в една стъпка, като натрият отдаде електрон на хлора! Можем да илюстрираме това по следния начин:

Тук можем да видим как един електрон преминава от натрия в хлора и се образуват йоните Na${}^{+}$‍ и Cl${}^{-}$‍. След като се образуват тези йони, между тях има силно електростатично привличане, което води до образуване на йонна връзка. Можем да видим, че един от главните фактори за разграничение между йонните и ковалентните връзки е това, че в йонните връзки електроните са напълно прехвърлени, докато в ковалентните връзки електроните са споделени.

Забележка: Когато научим повече за химичната връзка, ще видим, че в действителност разликата между ковалентните и йонните връзки не е като между черно и бяло и двата вида връзки са всъщност по-скоро като двата края на един общ спектър. Една йонна химична връзка може да се разглежда като връзка, в която има напълно неравностойно споделяне на електроните, докато в чисто ковалентната връзка има напълно равно споделяне на електрони. В действителност повечето химични връзки се намират някъде между тези два случая.

Сега ще разгледаме различните начини, по които можем да изобразим йонните връзки. Ще продължим да разглеждаме най-често срещаното йонно съединение - натриев хлорид, което е познато още като трапезна сол. Единичната йонна връзка в натриевия хлорид може да бъде изобразена по следния начин:

Положително зареденият натриев катион и отрицателно зареденият хлориден анион са склонни да застанат един до друг заради електростатичното привличане между тях. Тъй като няма споделени електрони, не изобразяваме йонната връзка като линия, както правихме за ковалентните връзки. Тук привличането е отбелязано само с противоположните заряди на йоните.

Горната диаграма е само модел. В природата натриевият хлорид не съществува като единичен натриев катион, свързан с единичен хлориден анион. Както вече споменахме, натриевият хлорид е трапезна сол — и ако можем да използваме супер-мощен микроскоп, за да разгледаме трапезната сол на атомно ниво, ще видим структура подобна на тази:

От тази диаграма виждаме, че Na${}^{+}$‍ и Cl${}^{-}$‍ йони естествено се подреждат един до друг в пространството заради електростатичното привличане между тях. След това йоните се задържат на мястото си от силните йонни връзки между тях. Горната структура е известна като кристална решетка, а натриевият хлорид - като повечето йонни съединения - е кристално вещество. Ще научиш повече за тази структура в следващите ни уроци за видовете твърди вещества.

След като обсъдихме основите на ковалентните и йонните връзки, трябва да обърнем внимание на някои разграничения. Знаем, че група атоми, свързани само от ковалентни връзки, се нарича молекула. Трябва да се отбележи, че думата молекула трябва да се използва само по отношение на ковалентните съединения. В йонните съединения като натриевият хлорид няма единична молекула натриев хлорид, тъй като в действителност натриевият хлорид е съставен от многобройни натриеви и хлоридни йони, свързани в голяма кристална решетка — както видяхме в предишната диаграма. Затова не наричаме отделната единица NaCl молекула, а формулна единица. Запомни, че единичните формулни единици, за разлика от единичните молекули, не съществуват в природата — ние използваме формулните единици за по-голямо улеснение и удобство.

Проверка на понятията: Кой вид съединения се състоят от молекули – йонни или ковалентни?

Всички химични връзки се дължат на електростатично привличане. Когато атомите взаимодействат чрез химични връзки, те образуват съединения – уникални структури, съставени от два или повече атома. Основният състав на едно съединение може да бъде показан с помощта на химична формула. Такава формула използва символите от периодичната таблица за указване на видовете елементи, които са част от дадено съединение, а броят на атомите на отделните елементи се указва с помощта на индекси.

Съединенията могат да бъдат ковалентни или йонни. В ковалентните съединения атомите образуват ковалентни връзки, които се състоят от електронни двойки, споделени между две отделни атомни ядра. Пример за ковалентно съединение е амонякът. Химичната формула на амоняка е NH${}_3$‍, което означава, че в една молекула амоняк има един азотен атом и три водородни атома. Структурата на ковалентното съединение може да бъде представена с пространствени модели или с модели с топчета и пръчици.

В йонните съединения електроните преминават напълно от единия атом в другия и се образуват катион — положително зареден йон — и анион — отрицателно зареден йон. Силното електростатично привличане между отделните катиони и аниони се нарича йонна връзка. Най-често срещаният пример за йонно съединение е натриевият хлорид NaCl, по-известен като трапезна сол. За разлика от ковалентните съединения, в йонните съединения няма молекули. Това е така, защото в природата NaCl не съществува като отделни единици, а като кристална структура, съставена от многобройни Na${}^{+}$‍ и Cl${}^{-}$‍ йони, редуващи се в пространството. Химичната формула NaCl определя една формулна единица от това съединение.