Μόρια και ενώσεις

Τα άτομα είναι οι μικρότερες μονάδες ύλης που εξακολουθούν να διατηρούν τις θεμελιώδεις χημικές ιδιότητες ενός στοιχείου. Μεγάλο μέρος της μελέτης της χημείας, ωστόσο, περιλαμβάνει την εξέταση του τι συμβαίνει όταν τα άτομα συνδυάζονται με άλλα άτομα για να σχηματίσουν ενώσεις. Μια ένωση είναι μια ομάδα ατόμων που συγκρατούνται μαζί με χημικούς δεσμούς. Ακριβώς όπως η δομή του ατόμου συγκρατείται από την ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ του θετικά φορτισμένου πυρήνα και των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων που τον περιβάλλουν, η σταθερότητα εντός των χημικών δεσμών οφείλεται επίσης σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Για να εξηγήσουμε περαιτέρω, εξετάστε τους δύο κύριους τύπους χημικών δεσμών: ομοιοπολικούς δεσμούς και ιοντικούς δεσμούς. Στους ομοιοπολικούς δεσμούς, δύο άτομα μοιράζονται ζεύγη ηλεκτρονίων, ενώ σε ιοντικούς δεσμούς, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται πλήρως μεταξύ δύο ατόμων έτσι ώστε να σχηματιστούν ιόντα. Ας εξετάσουμε λεπτομερώς και τους δύο τύπους δεσμών.

Ένας ομοιοπολικός δεσμός σχηματίζεται όταν δύο άτομα μοιράζονται ζεύγη ηλεκτρονίων. Σε έναν ομοιοπολικό δεσμό, η σταθερότητα του δεσμού προέρχεται από την κοινή ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ των δύο θετικά φορτισμένων ατομικών πυρήνων και των κοινών, αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων μεταξύ τους.

Όταν τα άτομα συνδυάζονται σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς, η προκύπτουσα ομάδα των ατόμων ονομάζεται μόριο. Μπορούμε επομένως να πούμε ότι ένα μόριο είναι η απλούστερη μονάδα μιας ομοιοπολικής ένωσης. Όπως θα δούμε τώρα, υπάρχουν διάφοροι διαφορετικοί τρόποι αναπαράστασης και σχεδίασης μορίων.

Χημικοί τύποι, μερικές φορές ονομάζεται επίσης μοριακοί τύποι, είναι ο απλούστερος τρόπος αναπαράστασης μορίων. Σε ένα χημικό τύπο, χρησιμοποιούμε τα στοιχειώδη σύμβολα από τον περιοδικό πίνακα για να υποδείξουμε ποια στοιχεία είναι παρόντα, και χρησιμοποιούμε δείκτες για να υποδείξουμε πόσα άτομα κάθε στοιχείου υπάρχουν μέσα στο μόριο. Για παράδειγμα, ένα μόριο NH${}_3$‍, αμμωνία, περιέχει ένα άτομο αζώτου και τρία άτομα υδρογόνου. Αντίθετα, ένα μόριο N${}_2$‍H${}_4$‍, η υδραζίνη, περιέχει δύο άτομα αζώτου και τέσσερα άτομα υδρογόνου.

Έλεγχος ενότητας: Ο χημικός τύπος για το οξικό οξύ, ένα κοινό οξύ που βρέθηκε στο ξίδι, είναι το C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍. Πόσα άτομα οξυγόνου υπάρχουν σε τρία μόρια οξικού οξέος;

Καθώς η μελέτη της χημείας σας συνεχίζεται, θα διαπιστώσετε ότι μερικές φορές οι χημικοί γράφουν μοριακούς τύπους με διαφορετικούς τρόπους. Για παράδειγμα, όπως μόλις είδαμε, ο χημικός τύπος για το οξικό οξύ είναι C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍; Ωστόσο, θα το βλέπουμε συχνά να γράφεται ως CH${}_3$‍COOH. Ο λόγος για αυτό το δεύτερο είδος του τύπου είναι ότι η σειρά με την οποία τα άτομα είναι γραμμένα βοηθά να δείξει τη δομή του μορίου οξικού οξέος - αυτό μερικές φορές ονομάζεται η συμπυκνωμένος δομικός τύπος. Ως εκ τούτου, μπορούμε να σκεφτούμε ότι το CH${}_3$‍COOH είναι σαν ένα ενδιάμεσο ανάμεσα σε έναν χημικό τύπο και έναν συντακτικό τύπο, που θα δούμε στη συνέχεια.

Χημικοί τύποι μας λένε μόνο πόσα άτομα κάθε στοιχείου είναι παρόντα σε ένα μόριο, αλλά οι συντακτικοί τύποι δίνουν επίσης πληροφορίες για το πώς τα άτομα συνδέονται στο χώρο. Στους συντακτικούς τύπους τύπους, στην πραγματικότητα σχεδιάζουμε τους ομοιοπολικούς δεσμούς που συνδέουν τα άτομα. Στην τελευταία ενότητα, εξετάσαμε τον χημικό τύπο της αμμωνίας, ο οποίος είναι το NH${}_3$‍. Τώρα, ας εξετάσουμε τον συντακτικό της τύπο:

Και από δυο αυτούς συντακτικούς τύπους, μπορούμε να δούμε ότι το κεντρικό άτομο αζώτου συνδέεται με κάθε άτομο υδρογόνου με ένα ενιαίο ομοιοπολικό δεσμό. Έχετε κατά νου, ωστόσο, ότι τα άτομα και τα μόρια, ακριβώς όπως όλα τα άλλα στο σύμπαν, υπάρχουν σε τρεις διαστάσεις, έχουν μήκος και πλάτος, καθώς και βάθος.Στο συντακτικό τύπο στα αριστερά, βλέπουμε μόνο μια δισδιάστατη προσέγγιση αυτού του μορίου. Ωστόσο, στην πιο λεπτομερή απεικόνιση στα δεξιά, έχουμε μια διακεκομμένη γραμμή για να δείξει ότι το δεξί άτομο υδρογόνου κάθεται πίσω από το επίπεδο της οθόνης, ενώ η έντονη σφήνα δείχνει ότι το κέντρο υδρογόνου κάθεται έξω μπροστά από το επίπεδο της οθόνης. Οι δύο τελείες πάνω από το άζωτο υποδεικνύουν ένα ζεύγος ηλεκτρονίων που δεν εμπλέκονται σε κανένα ομοιοπολικό δεσμό. Θα συζητήσουμε τη σημασία αυτών των ηλεκτρονίων στο τέλος αυτής της ενότητας. Για να δείξουμε αυτό το τρισδιάστατο σχήμα με μεγαλύτερη ακρίβεια, μπορούμε να βασιστούμε σε μοντέλα συμπλήρωσης χώρου καθώς και μοντέλα με σφαίρες και παύλες. Ας εξετάσουμε και τα δύο αυτά μοντέλα για τη NH${}_3$‍:

Η εικόνα αριστερά δείχνει το μοντέλο συμπλήρωσης χώρου για την αμμωνία. Το άτομο αζώτου απεικονίζεται ως η μεγαλύτερη, κεντρική μπλε σφαίρα, και τα τρία άτομα υδρογόνου απεικονίζονται ως οι μικρότερες άσπρες σφαίρες στις πλευρές, οι οποίες σχηματίζουν ένα είδος τρίποδου. Το συνολικό σχήμα του μορίου είναι μια πυραμίδα με το άζωτο στην κορυφή και μια τριγωνική βάση που σχηματίζεται από τα τρία άτομα υδρογόνου. Όπως θα μάθετε όταν μελετάτε μοριακά σχήματα και μοριακή γεωμετρία, αυτός ο τύπος διάταξης είναι γνωστός ως τριγωνική πυραμιδική. Το κύριο πλεονέκτημα του μοντέλου συμπλήρωσης χώρου είναι ότι μας δίνει μια αίσθηση των σχετικών μεγεθών των διαφόρων ατόμων-το άζωτο έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από το υδρογόνο.

Η δεξιά εικόνα μας δείχνει το μοντέλο σφαίρας και παύλας για την αμμωνία. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, οι μπάλες αντιπροσωπεύουν τα άτομα, και οι παύλες που συνδέουν τις μπάλες αντιπροσωπεύουν τους ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου μοντέλου είναι ότι μπορούμε να δούμε τους ομοιοπολικούς δεσμούς, που μας επιτρέπει επίσης να δούμε ευκολότερα τη γεωμετρία του μορίου.

Τώρα που έχουμε μια κατανόηση των ομοιοπολικών δεσμών, μπορούμε να αρχίσουμε να συζητάμε τον άλλο μεγάλο είδος χημικού δεσμού – έναν ιοντικό δεσμό. Σε αντίθεση με τους ομοιοπολικούς δεσμούς, στους οποίους μοιράζονται ζεύγη ηλεκτρονίων μεταξύ ατόμων, ένας ιονικός δεσμός σχηματίζεται όταν δύο αντίθετα φορτισμένα ιόντα έλκουν το ένα το άλλο. Για να το δείξουμε καλύτερα, πρέπει πρώτα να εξετάσουμε τη δομή και το σχηματισμό των ιόντων.

Θυμηθείτε ότι τα ουδέτερα άτομα έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Το αποτέλεσμα αυτού είναι ότι το συνολικό θετικό φορτίο των πρωτονίων ακυρώνει ακριβώς το συνολικό αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων, έτσι ώστε το ίδιο το άτομο να έχει ένα συνολικό φορτίο, ή καθαρό φορτίο, μηδέν.

Ωστόσο, εάν ένα άτομο κερδίζει ή χάνει τα ηλεκτρόνια, η ισορροπία μεταξύ πρωτονίων και ηλεκτρονίων διαταράσσεται, και το άτομο γίνεται ένα ιόν-ένα είδος με καθαρό φορτίο. Ας δούμε πρώτα τι συμβαίνει όταν ένα ουδέτερο άτομο χάνει ένα ηλεκτρόνιο:

Στο παραπάνω διάγραμμα, βλέπουμε ένα ουδέτερο άτομο του νατρίου, Na, να χάνει ένα ηλεκτρόνιο. Το αποτέλεσμα είναι ότι το ιόν νατρίου, Na${}^{+}$‍, έχει 11 πρωτόνια, αλλά μόνο 10 ηλεκτρόνια. Έτσι, το ιόν νατρίου έχει καθαρό φορτίο 1+, και έχει γίνει κατιόν-ένα ιόν με θετικό φορτίο.

Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε το σχηματισμό ενός ανιόντος-ένα ιόν με καθαρό αρνητικό φορτίο.

Σε αυτό το διάγραμμα, βλέπουμε την αντίθετη διαδικασία από αυτή που είδαμε με το άτομο νατρίου. Εδώ, ένα ουδέτερο άτομο χλωρίου, Cl, κερδίζει ένα ηλεκτρόνιο. Το αποτέλεσμα είναι ότι το νεοσυσταθέν ιόν χλωρίου, Cl${}^{-}$‍, έχει 17 πρωτόνια και 18 ηλεκτρόνια. Επειδή τα ηλεκτρόνια φέρουν 1- φορτίο, το καθαρό φορτίο στο ιόν χλωριούχου από το επιπλέον ηλεκτρόνιο είναι 1-. Έχει γίνει ανιόν, ή ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν.

Σημείωση: Όταν ουδέτερα άτομα αποκτήσουν ηλεκτρόνιο(-α) για να σχηματίσουν ανιόντα, συνήθως ονομάζονται με επίθημα -ούχο. Για παράδειγμα, το Cl${}^{-}$‍ είναι χλωριούχο, το Br${}^{-}$‍ είναι βρωμιούχο, το O${}^{2-}$‍ είναι οξυγονούχο, το N${}^{3-}$‍ είναι αζωτούχο, κλπ.

Στην τελευταία ενότητα, κοιτάξαμε ξεχωριστά πώς το νάτριο μπορεί να χάσει ένα ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει το κατιόν Na${}^{+}$‍ και πώς το χλώριο μπορεί να κερδίσει ένα ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει το ανιόν Cl${}^{-}$‍. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, αυτή η διαδικασία μπορεί να συμβεί σε ένα βήμα όταν το νάτριο δίνει το ηλεκτρόνιο του στο χλώριο! Μπορούμε να το δείξουμε με τον εξής τρόπο:

Εδώ, μπορούμε να δούμε πώς ένα ηλεκτρόνιο μεταφέρεται από νάτριο στο χλώριο, προκειμένου να σχηματίσουν τα ιόντα Na${}^{+}$‍ και Cl${}^{-}$‍. Μόλις διαμορφωθούν αυτά τα ιόντα, υπάρχει μια ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ τους, η οποία οδηγεί στο σχηματισμό ενός ιοντικού δεσμού. Μπορούμε να δούμε ότι ένας από τους κύριους παράγοντες διάκρισης μεταξύ ιονικών δεσμών και ομοιοπολικών δεσμών είναι ότι στους ιοντικούς δεσμούς, τα ηλεκτρόνια είναι μεταφέρονται πλήρως, ενώ σε ομοιοπολικούς δεσμούς, τα ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ των ατόμων.

Σημείωση: Καθώς μαθαίνετε περισσότερα για τους δεσμούς, θα το δείτε στην πραγματικότητα, η διαφορά μεταξύ ομοιοπολικών και ιοντικών δεσμών δεν είναι όπως το άσπρο και το μαύρο και ότι οι δύο τύποι δεσμών μοιάζουν περισσότερο με τα δύο άκρα ενός κοινού φάσματος. Μπορούμε να σκεφτούμε έναν καθαρό ιοντικό δεσμό ως έχοντας μια απολύτως άνιση κατανομή των ηλεκτρονίων, ενώ ένας αμιγής ομοιοπολικός δεσμός έχει μια απολύτως ισότιμη κοινή χρήση των ηλεκτρονίων. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, οι περισσότεροι χημικοί δεσμοί βρίσκονται κάπου ανάμεσα σε αυτές τις δύο περιπτώσεις.

Τώρα θα εξετάσουμε τους διάφορους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να σχεδιάσουμε ή να απεικονίσουμε ιοντικούς δεσμούς. Θα συνεχίσουμε να εξετάζουμε την πιο γνωστή ιοντική ένωση-το χλωριούχο νάτριο, το οποίο είναι πιο γνωστό ως επιτραπέζιο αλάτι. Ένας μοναδικός ιοντικός δεσμός στο χλωριούχο νάτριο μπορεί να εμφαίνεται ως εξής:

Τα θετικά φορτισμένα κατιόντα νατρίου και τα αρνητικά φορτισμένα ανιόντα χλωρίου τοποθετούνται δίπλα το ένα στο άλλο λόγω της αμοιβαίας ηλεκτροστατικής έλξης τους. Επειδή δεν μοιράζονται ηλεκτρόνια, δεν απεικονίζουμε έναν ιοντικό δεσμό με μια γραμμή όπως κάνουμε για τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Απλά αναγνωρίζουμε ότι η έλξη είναι εκεί λόγω των αντίθετων φορτίων στα ιόντα.

Το παραπάνω διάγραμμα, ωστόσο, είναι απλά ένα μοντέλο. Στη φύση, το χλωριούχο νάτριο δεν υπάρχει ως ένα μόνο κατιόν νατρίου συνδεδεμένο με ένα ανιόν χλωρίου. Όπως αναφέραμε νωρίτερα, το χλωριούχο νάτριο είναι το επιτραπέζιο αλάτι, και αν ήμασταν σε θέση να χρησιμοποιήσουμε ένα πολύ ισχυρό μικροσκόπιο που θα μπορούσε να εξετάσει το επιτραπέζιο αλάτι σε ατομικό επίπεδο, θα βλέπαμε μια δομή που μοιάζει με την ακόλουθη :

Μπορούμε να δούμε από αυτό το διάγραμμα ότι τα Na${}^{+}$‍ και Cl${}^{-}$‍ τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο στο χώρο λόγω των κοινών ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ τους. Τα ιόντα στη συνέχεια συγκρατούνται στη θέση τους από τους πολύ ισχυρούς ιοντικούς δεσμούς τους. Η παραπάνω δομή είναι γνωστή ως κρυσταλλικό πλέγμα, και το χλωριούχο νάτριο -όπως οι περισσότερες ιοντικές ενώσεις- είναι ένα κρυσταλλικό στερεό. Θα μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό σε μελλοντικά μαθήματα σχετικά με τους διάφορους τύπους στερεών.

Τώρα που έχουμε συζητήσει τα βασικά στοιχεία τόσο της ομοιοπολικής όσο και της ιοντικής αλληλεπίδρασης, πρέπει να σχεδιάσουμε μερικές απαραίτητες διακρίσεις. Γνωρίζουμε ότι μια ομάδα ατόμων που συνδέονται μόνο με ομοιοπολικούς δεσμούς είναι γνωστή ως μόριο. Πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι η λέξη μόριο πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο για ομοιοπολικές ενώσεις. Σε μια ιοντική ένωση, όπως το χλωριούχο νάτριο, δεν υπάρχει ένα μόνο μόριο χλωριούχου νατρίου αφού, στην πραγματικότητα, το χλωριούχο νάτριο αποτελείται στην πραγματικότητα από πολλά ιόντα νατρίου και χλωρίου ενωμένα σε ένα μεγάλο κρύσταλλο - όπως είδαμε στο προηγούμενο διάγραμμα. Ως εκ τούτου, αναφερόμαστε σε ένα κομμάτι NaCl όχι ως μόριο αλλά ως χημική ένωση. Λάβετε υπόψη ότι μεμονωμένες χημικές ενώσεις, σε αντίθεση με μεμονωμένα μόρια, σε μεγάλο βαθμό δεν υπάρχουν στη φύση – απλά βασιζόμαστε στους χημικούς τύπους για μεγαλύτερη ευκολία ευκολία.

Έλεγχος ενότητας: Ποιος τύπος ενώσεων αποτελείται από μόρια—ο ιοντικός ή ομοιοπολικός δεσμός;

Όλοι οι χημικοί δεσμοί οφείλονται σε ηλεκτροστατικές έλξεις. Όταν τα άτομα συνδυάζονται μέσω χημικών δεσμών, σχηματίζουν ενώσεις-μοναδικές δομές που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα άτομα. Η βασική σύνθεση μιας ένωσης μπορεί να υποδειχθεί χρησιμοποιώντας έναν χημικό τύπο. Ένας χημικός τύπος χρησιμοποιεί σύμβολα από τον περιοδικό πίνακα για να υποδείξει τους τύπους των στοιχείων που υπάρχουν σε μια συγκεκριμένη ένωση ενώ χρησιμοποιεί δείκτες για να αναπαραστήσει τον αριθμό κάθε τύπου στοιχείου στην ένωση.

Οι ενώσει μπορεί να είναι ομοιοπολικές ή ιοντικές. Στις ομοιοπολικές ενώσεις, τα άτομα σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς που αποτελούνται από ζεύγη ηλεκτρονίων που μοιράζονται μεταξύ δύο κοντινών ατομικών πυρήνων. Ένα παράδειγμα μιας ομοιοπολικής ένωσης είναι η αμμωνία. Ο χημικός τύπος της αμμωνίας είναι η NH${}_3$‍, η οποία μας λέει ότι σε ένα μόριο αμμωνίας, υπάρχει ένα άτομο αζώτου και τρία άτομα υδρογόνου. Η δομή μιας ομοιοπολικής ένωσης μπορεί να απεικονιστεί μέσω των μοντέλων συμπλήρωσης χώρου καθώς και των προτύπων σφαίρας και παύλας.

Στις ιοντικές ενώσεις, ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το ένα άτομο στο άλλο, έτσι ώστε ένα κατιόν-θετικά φορτισμένο ιόν-και ένα ανιόν-αρνητικά φορτισμένο ιόν-σχηματίζονται. Η ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ των κατιόντων και ανιόντων είναι γνωστή ως ιοντικός δεσμός. Το πιο κοινό παράδειγμα μιας ιοντικής ένωσης είναι το NaCl χλωριούχο νάτριο, πιο γνωστό ως επιτραπέζιο αλάτι. Σε αντίθεση με τις ομοιοπολικές ενώσεις, δεν υπάρχει μόριο μιας ιοντικής ένωσης. Αυτό συμβαίνει επειδή στη φύση το NaCl δεν υπάρχει σε μεμονωμένες μονάδες, αλλά σε δομές κρυστάλλου που αποτελούνται από πολλαπλά Na${}^{+}$‍ και Cl${}^{-}$‍ που εναλλάσσονται στο χώρο. Ο χημικός τύπος NaCl καθορίζει μια χημική μονάδα της ένωσης.