Wydrukuj Zapisz jako PDF Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał

Atomy w stanie wolnym, niezwiązanym, bardzo rzadko występują w przyrodzie. Wyjątek pod tym względem stanowią atomy pierwiastków, zwanych zwyczajowo gazami szlachetnymi. Atomy większości pierwiastków są najczęściej związane z innymi atomami. W tym module dowiemy się, dlaczego atomy niektórych pierwiastków łączą się ze sobą oraz poznamy jeden ze sposobów tworzenia takiego połączenia.

RZHCbbtSIQRfO1
Modele cząsteczek wody i azotu oraz ich wzory elektronowe
Już wiesz
  • że pierwiastki chemiczne mogą się ze sobą łączyć;

  • co to są związki chemiczne;

  • jak określić liczbę elektronów walencyjnych w atomach niektórych pierwiastków chemicznych.

Nauczysz się
  • opisywać wiązanie kowalencyjne (atomowe);

  • wyjaśniać, co to jest cząsteczka;

  • omawiać budowę przykładowych cząsteczek.

ieq8MWEL3t_d5e259

1. Co warto wiedzieć o gazach szlachetnych?

Porównując właściwości pierwiastków, można zauważyć, że niemetale znajdujące się w 18. grupie układu okresowego (helowce, zwane gazami szlachetnymi) wykazują najmniejszą aktywność. Helowce w zwykłych warunkach nie tworzą cząsteczek, a tylko niektóre z nich mogą tworzyć związki chemiczne, które są stosunkowo nietrwale. Okazuje się, że konfiguracja elektronowa atomów helowców jest trwała. Większość atomów pierwiastków, łącząc się ze sobą, dąży do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliższego im w układzie okresowym helowca, na przykład atomy wodoru dążą do konfiguracji elektronowej helu, a atomy chloru – do konfiguracji elektronowej atomu argonu.

Jak pamiętasz, wśród helowców tylko atom helu ma 2 elektrony walencyjne (nazywane dubletem elektronowym), zaś atomy pozostałych gazów szlachetnych mają po 8 elektronów na ostatniej powłoce (tak zwany oktet elektronowy).

Liczba elektronów na ostatniej powłoce w atomach helowców

Nazwa helowca

Liczba elektronów na ostatniej powłoce

Nazwa konfiguracji elektronowej ostatniej powłoki

hel

2

dublet elektronowy

neon

8

oktet elektronowy

argon

krypton

ksenon

radon

ieq8MWEL3t_d5e359

2. Czy atomy mogą dzielić się swoimi elektronami?

Atomy mogą łączyć się zarówno z atomami tego samego pierwiastka chemicznego, jak i atomami innych pierwiastków. Oddziaływanie pomiędzy atomami, które sprawiające, że atomy te łączą się ze sobą w sposób trwały, nazywa się wiązaniem chemicznym. W tworzeniu wiązania biorą udział elektrony walencyjne. Jak pamiętasz, liczba elektronów walencyjnych pierwiastka jest ściśle związana z jego położeniem w układzie okresowym i jego właściwościami fizykochemicznymi. To od niej zależy sposób oddziaływania i wiązania się ze sobą atomów.

Ważne!

Przy opisie wiązań chemicznych chemicy bardzo często posługują się symbolicznym zapisem. Wykorzystuje się w nim symbol pierwiastka chemicznego, i zaznacza się wokół niego kropkami liczbę elektronów walencyjnych. Są to tak zwane wzory elektronowe kropkowe. Jeśli w tym wzorze występują pary elektronów, to czasami zaznacza się je jako kreski. Taki sposób zapisu określa się mianem wzoru elektronowego kreskowego. W tabeli przedstawiono omawiane wzory elektronowe przykładowych atomów pierwiastków.

R1bw1dv0ta9zG1
Źródło: Krzysztof Jaworski, Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.

Wodór to pierwiastek chemiczny, którego atomy nie są wolne, lecz zawsze połączone w pary za pomocą wiązania chemicznego. Wiązanie to polega na tym, że atomy wodoru oddają do wspólnego użytku po 1 elektronie. Mówi się, że uwspólniają elektrony, które nazywa się wspólną parą elektronową lub wiążącą parą elektronową. Symbolicznie wiązanie tworzone przez 2 atomy wodoru można przedstawić jako H : H. Dzięki uwspólnieniu elektronów każdy z atomów wodoru uzyskuje konfigurację elektronową (liczbę elektronów), jaką ma najbliższy w układzie okresowym gaz szlachetny – hel (2 elektrony).

Opisane wiązanie łączące 2 atomy wodoru za pomocą wspólnej pary elektronowej jest przykładem wiązania nazywanego wiązaniem kowalencyjnymwiązanie kowalencyjne (wiązanie atomowe)wiązaniem kowalencyjnym lub wiązaniem atomowymwiązanie kowalencyjne (wiązanie atomowe)wiązaniem atomowym. Wiązanie to polega na uwspólnianiu elektronów i tworzeniu tak zwanych wiążących par elektronów, które należą w jednakowym stopniu do obu atomów. Tego typu wiązania kowalencyjne tworzą się między atomami tego samego niemetalu.

Zobacz wzory elektronowe wiązań kowalencyjnych między atomami wodoru.

RgmpooG7BdMPf1
Wzory elektronowe przedstawiające wiązanie kowalencyjne tworzone między atomami wodoru
RknBTLWTQUkKN1
R11I1ltj7l2831

Zobacz efekt wiązania między atomami wodoru oraz między atomami chloru.

RZSlmfQyRVixP1
Wiązanie kowalencyjne między atomami wodoru oraz między atomami chloru
ieq8MWEL3t_d5e520

3. Co jest efektem łączenia się atomów?

Struktury, które powstają w wyniku połączenia się atomów za pomocą wiązań kowalencyjnych (wiązań atomowych), nazywa się cząsteczkami. Dwa atomy wodoru związane jedną parą elektronową noszą nazwę cząsteczki wodoru, a połączone ze sobą 2 atomy chloru stanowią cząsteczkę chloru.

W przyrodzie występuje bardzo dużo różnorodnych cząsteczek, które mogą zawierać od dwóch do ponad miliona atomów. Omawiane w tej lekcji cząsteczki wodoru i chloru są przykładami niewielkich układów atomów – cząsteczek dwuatomowych.

Każdą cząsteczkę można opisać wzorem. Jednym ze sposobów jest wymienienie symboli pierwiastków, których atomy wchodzą w jej skład, i zaznaczenie za symbolem pierwiastka (w prawym dolnym indeksie) liczby atomów wchodzących w skład cząsteczki. Przedstawiony zgodnie z tymi zasadami wzór cząsteczki jest nazywany wzorem sumarycznymwzór sumarycznywzorem sumarycznym cząsteczki.

RzSh1HaVBv0B41
Opis cząsteczek wodoru i chloru

Oprócz wiążących par elektronowych, w cząsteczkach mogą znajdować się także tzw. niewiążce pary elektronowe. Nie biorą one bezpośredniego udziału w tworzeniu wiązania chemicznego.

RWkzaB6Oi5Pii1
Rodzaje par elektronowych w cząsteczce chloru
R1dPGHdF9z7Gc1

Wodór czy chlor są pierwiastkami, które w stanie wolnym, jako gazy, występują w postaci cząsteczek dwuatomowych. Dlatego w symbolicznym opisie tych gazów zawsze posługujemy się wzorami: Cl2, H2.

ieq8MWEL3t_d5e636

4. Jak zbudowana jest cząsteczka azotu?

Atomy niemetali mogą uwspólniać więcej niż 1 parę elektronową.

Przykładem jest cząsteczka azotu zbudowana z 2 atomów azotu. Jak pamiętasz, atom azotu ma 5 elektronów walencyjnych, a do uzyskania 8 elektronów potrzebuje 3. Dlatego każdy z atomów w cząsteczce oddaje do wspólnego użytku 3 elektrony.

R1ROKIWy4knW11
Wzór elektronowy cząsteczki azotu

Między atomami azotu występują 3 wiążące pary elektronowe. Takie wiązanie określa się mianem wiązania potrójnegowiązanie potrójnewiązania potrójnego. Wzór sumaryczny cząsteczki azotu to N2.

R1ebEavThnRbI1
Pary elektronowe (wiążące i niewiążące) w cząsteczce azotu

Wiązanie potrójne zawiera maksymalną liczbę wiązań, jaką mogą tworzyć atomy między sobą. W przyrodzie nie ma związków chemicznych, w których cząsteczkach występowałyby wiązania więcej niż trzykrotne.

RyCbWsfT44Hve1
Budowa cząsteczki azotu
ieq8MWEL3t_d5e749

5. Czym jest wiązanie kowalencyjne spolaryzowane?

Atomy różnych niemetali mogą (podobnie jak atomy należące do tego samego pierwiastka niemetalicznego) łączyć się ze sobą za pomocą wspólnych par elektronowych. Przykładem są atomy niemetali: wodoru i chloru, które łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki chlorowodoru.

RbG1n2gyBEZsu1
Wzór elektronowy kropkowy cząsteczki chlorowodoru

Każdy z atomów wchodzących w skład cząsteczki chlorowodoru oddaje po 1 elektronie walencyjnym w celu utworzenia wiążącej pary elektronowej (wiązania kowalencyjnego). Dzięki temu powstaje trwała konfiguracja elektronowa gazu szlachetnego: atom wodoru – helu, atom chloru – argonu.

W cząsteczce chlorowodoru atomy tworzą na ostatnich powłokach następujące konfiguracje: atom wodoru – dublet, atom chloru – oktet elektronowy.

Para elektronowa znajdująca się pomiędzy atomami wodoru i chloru w cząsteczce chlorowodoru nie należy w jednakowym stopniu do obu atomów, ale jest przesunięta w kierunku tego, który silniej przyciąga elektrony, w tym wypadku – w kierunku atomu chloru. Opisane wiązanie jest szczególnym rodzajem wiązania kowalencyjnego, nazywanym wiązaniem kowalencyjnym spolaryzowanym (wiązaniem atomowym spolaryzowanym)wiązanie kowalencyjne spolaryzowane (wiązanie atomowe spolaryzowane)wiązaniem kowalencyjnym spolaryzowanym (wiązaniem atomowym spolaryzowanym).

Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane jest tworzone pomiędzy atomami należącymi do różnych niemetali. Uwspólniają one elektrony, a utworzona wiążąca para lub pary elektronowe są przesunięte w kierunku tego atomu, który ma większą zdolność przyciągania elektronów. Najczęściej jest to atom o większej liczbie elektronów na ostatniej powłoce.

R63VfcZbMpkPh1

Wiązania kowalencyjne spolaryzowane łączą także atomy azotu z atomami wodoru w cząsteczki związku chemicznego zwanego amoniakiem. Na podstawie numeru grupy, do której należy atom azotu (15.), winioskujemy, że ma on na ostatniej powłoce 5 elektronów. Do uzyskania trwałej konfiguracji brakuje mu 3 elektronów. Uzyskuje je od 3 atomów wodoru, z którymi tworzy wiążące pary elektronowe.

RiXOmJeovl67g1
Pary elektronowe w cząsteczce amoniaku

Z uwagi na to, że atom azotu ma większą zdolność do przyciągania elektronów niż atom wodoru, 3 wiążące pary elektronowe są położone bliżej atomu azotu. Dlatego wiązanie to jest wiązaniem atomowym (kowalencyjnym) spolaryzowanym.

Wzór sumaryczny cząsteczki amoniaku to NH3.

RZ0zZcpevTg241
Wspólne pary elektronowe w cząsteczce amoniaku są przesunięte w kierunku atomu azotu ze względu na jego większą zdolność do przyciągania elektronów

Każdy z atomów wchodzących w skład cząsteczki amoniaku uzupełnia ostatnią powłokę elektronową: atomy wodoru tworzą dublet elektronowy, atom azotu – oktet.

RPYIPChhBzYx61
Wzory przykładowych związków chemicznych zbudowanych z cząsteczek o wiązaniach kowalencyjnych spolaryzowanych
ieq8MWEL3t_d5e949

6. Jak zbudowana jest cząsteczka dwutlenku węgla?

Atomy różnych niemetali mogą uwspólniać więcej niż 1 parę elektronową. Przykładem związku chemicznego, w którego cząsteczkach tak się dzieje, jest dwutlenek węgla. Jego cząsteczki są zbudowane z 2 atomów tlenu połączonych z 1 atomem węgla.

Atom węgla znajduje się w 14. grupie układu okresowego i jego ostatnią powłokę elektronową tworzą 4 elektrony. W atomach tlenu natomiast jest 6 elektronów walencyjnych. Każdy z atomów w cząsteczce dwutlenku węgla uzupełnia swoją ostatnią powłokę do 8 elektronów: atomy tlenu oddają do wspólnego użytku z atomem węgla po 2 elektrony, atom węgla zaś z każdym z nich uwspólnia także 2 elektrony. Można policzyć, że na tworzenie wiązań atomy tlenu zużywają po 2 elektrony, natomiast atom węgla – w sumie 4.

RmkKFucgFEY8r1
Wzór elektronowy kropkowy cząsteczki dwutlenku węgla

Cząsteczka dwutlenku węgla ma następujący wzór sumaryczny: CO2.

R1DpK8n254ooj1
Wzór elektronowy kreskowy cząsteczki dwutlenku węgla z wyróżnionymi rodzajami par elektronowych

Atomy tlenu i węgla różnią się zdolnością do przyciągania elektronów, atom tlenu wykazuje silniejsze właściwości w tym względzie. Z tego powodu w cząsteczce dwutlenku węgla wiążące pary elektronowe są położone bliżej atomów tlenu.

RGwSuBbY9CMTo1
Atomy tlenu w cząsteczce dwutlenku węgla silniej przyciągają ku sobie elektrony niż atom węgla
Roz1VY3UfPKUx1
Budowa cząsteczki dwutlenku węgla
ieq8MWEL3t_d5e1065

Podsumowanie

  • Wiązanie chemiczne wiąże ze sobą atomy.

  • Wiązanie kowalencyjne (atomowe) polega na uwspólnieniu pary elektronowej pomiędzy atomami.

  • Każdy pierwiastek chemiczny, o ile to możliwe, dąży do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliższego w układzie okresowym gazu szlachetnego.

  • Wiązania kowalencyjne tworzą atomy niemetali.

  • Atomy należące do różnych niemetali tworzą wiązania kowalencyjne spolaryzowane.

  • Struktury zbudowane z atomów połączonych wiązaniem kowalencyjnym (atomowym) są nazywane cząsteczkami.

  • Atomy w cząsteczkach: Cl2, H2, N2 tworzą wiązania kowalencyjne (atomowe), a ich wiążące pary elektronowe należą w jednakowym stopniu do obu atomów w cząsteczce.

  • W cząsteczkach HCl, H2O, CO2, NH3 występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane, utworzone przez wspólne pary elektronowe, znajdujące się bliżej atomów o większej liczbie elektronów walencyjnych.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Fluor jest pierwiastkiem chemicznym, który w temperaturze pokojowej występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych. Narysuj wzór elektronowy kropkowy i kreskowy oraz wzór sumaryczny jego cząsteczki. Wskaż wiążące i niewiążące pary elektronowe we wzorze kreskowym.

ieq8MWEL3t_d5e1128

Słowniczek

wiązanie kowalencyjne (wiązanie atomowe)
wiązanie kowalencyjne (wiązanie atomowe)

rodzaj wiązania chemicznego, które polega na tworzeniu wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami.

wiązanie kowalencyjne spolaryzowane (wiązanie atomowe spolaryzowane)
wiązanie kowalencyjne spolaryzowane (wiązanie atomowe spolaryzowane)

wiązanie chemiczne polegające na tworzeniu wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami o różnej tendencji do przyciągania elektronów. Wiążąca para elektronowa jest przesunięta w kierunku atomu silniej przyciągającego elektrony.

wzór sumaryczny
wzór sumaryczny

wzór przedstawiający liczbę i rodzaj atomów wchodzących w skład najmniejszej struktury zbudowanej z atomów połączonych ze sobą za pomocą wiązań chemicznych, np. wzór cząsteczki

wiązanie pojedyncze
wiązanie pojedyncze

wiązanie utworzone przez jedną wspólną parę elektronową

wiązanie podwójne
wiązanie podwójne

wiązanie utworzone przez dwie wspólne pary elektronowe

wiązanie potrójne
wiązanie potrójne

wiązanie utworzone przez trzy wspólne pary elektronowe

ieq8MWEL3t_d5e1247

Zadania

Ćwiczenie 1
R1WzxEcZldDTT1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
ROljFLq63Olvv1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R1H8iZd5NmLFz1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R14FdDKcuffJQ1
Uporządkuj nazwy drobin według rosnącej liczby wszystkich wiązań w cząsteczce. Elementy do uszeregowania: 1. cząsteczka dwutlenku węgla, 2. cząsteczka wodoru, 3. cząsteczka azotu
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
RmEwGcrBI2ZaA
Ćwiczenie 5
zadanie interaktywne
RFpWRPF3iwi97
Ćwiczenie 6
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 7
R1YD0aQxU97Qx1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
R8Luv8aHlcZLL1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 9
RW2RT0hAl67FN1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 10
R1Rv4f2yC7cXZ1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 11
RQmpoWrAYuaD91
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 12
R1GKg3VPtq0JF1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.