LIÊN KẾT HÓA HỌC: ĐẶC ĐIỂM, CÁCH CHÚNG ĐƯỢC HÌNH THÀNH, CÁC LOẠI - HÓA HỌC - 2026

Liên kết hóa học là lực quản lý để giữ các nguyên tử tạo nên vật chất lại với nhau. Mỗi loại vật chất có một liên kết hóa học đặc trưng, ​​liên kết này bao gồm sự tham gia của một hoặc nhiều electron. Do đó, lực liên kết các nguyên tử trong chất khí là khác nhau, ví dụ, với kim loại.

Tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn (ngoại trừ heli và các khí nhẹ) đều có thể tạo liên kết hóa học với nhau. Tuy nhiên, bản chất của chúng được thay đổi tùy thuộc vào các nguyên tố mà các electron tạo thành chúng đến từ nguyên tố nào. Một tham số thiết yếu để giải thích loại liên kết là độ âm điện.

Nguồn: Bởi Ymwang42 (talk) .Ymwang42 tại en.wikipedia, từ Wikimedia Commons

Sự khác biệt về độ âm điện (ΔE) giữa hai nguyên tử không chỉ xác định loại liên kết hóa học mà còn xác định các tính chất hóa lý của hợp chất. Các muối được đặc trưng bởi có liên kết ion (ΔE cao), và nhiều hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như vitamin B ₁₂ (hình trên), có liên kết cộng hóa trị (ΔE thấp).

Trong cấu trúc phân tử cao hơn, mỗi đường biểu diễn một liên kết cộng hóa trị. Các dấu nêm chỉ ra rằng liên kết xuất hiện từ mặt phẳng (về phía người đọc) và các đường gạch chân phía sau mặt phẳng (cách xa người đọc). Lưu ý rằng có liên kết đôi (=) và một nguyên tử coban được phối hợp với năm nguyên tử nitơ và một chuỗi bên R.

Nhưng tại sao lại hình thành các liên kết hóa học như vậy? Câu trả lời nằm ở sự ổn định năng lượng của các nguyên tử và electron tham gia. Tính ổn định này phải cân bằng lực đẩy tĩnh điện giữa các đám mây điện tử và hạt nhân, và lực hút do hạt nhân tác dụng lên các điện tử của nguyên tử lân cận.

Định nghĩa liên kết hóa học

Nhiều tác giả đã đưa ra các định nghĩa về liên kết hóa học. Trong số đó, quan trọng nhất là của nhà vật lý học GN Lewis, người đã định nghĩa liên kết hóa học là sự tham gia của một cặp electron giữa hai nguyên tử. Nếu các nguyên tử A · và · B có thể đóng góp một electron độc thân, thì liên kết đơn A: B hoặc A - B sẽ hình thành giữa chúng.

Trước khi hình thành liên kết, cả A và B đều cách nhau một khoảng không xác định, nhưng khi chúng liên kết thì bây giờ có một lực giữ chúng lại với nhau trong hợp chất lưỡng tử AB và một khoảng cách (hoặc độ dài) liên kết.

nét đặc trưng

Nguồn: Gabriel Bolívar

Lực này có đặc điểm gì giữ các nguyên tử lại với nhau? Những điều này phụ thuộc nhiều vào kiểu liên kết giữa A và B hơn là cấu trúc điện tử của chúng. Ví dụ, liên kết A - B có hướng. Nó có nghĩa là gì? Rằng lực tác dụng bởi sự liên kết của các cặp electron có thể được biểu diễn trên một trục (như thể nó là một hình trụ).

Ngoài ra, liên kết này cần năng lượng để phá vỡ. Lượng năng lượng này có thể được biểu thị bằng đơn vị kJ / mol hoặc cal / mol. Một khi đã đủ năng lượng tác dụng vào hợp chất AB (chẳng hạn bằng nhiệt), nó sẽ phân ly thành các nguyên tử A · và B ban đầu.

Liên kết càng bền thì càng tốn nhiều năng lượng để tách các nguyên tử liên kết.

Mặt khác, nếu liên kết trong hợp chất AB là ion A ⁺ B ^- thì nó sẽ là lực không định hướng. Tại sao? Bởi vì A ⁺ tác dụng một lực hấp dẫn lên B ^- (và ngược lại) phụ thuộc nhiều hơn vào khoảng cách phân tách cả hai ion trong không gian hơn là vị trí tương đối của chúng.

Lĩnh vực này thu hút và lực đẩy tập hợp các ion khác để tạo thành những gì được biết đến như một tinh thể mạng (hình ảnh hàng đầu: A ⁺ cation dối trá bao quanh bởi bốn B ^- anion , và chúng được bao quanh bởi bốn Một ⁺ cation, và vân vân).

Liên kết hóa học được hình thành như thế nào?

Hợp chất homonuclear AA

Nguồn: Gabriel Bolívar

Để một cặp electron hình thành liên kết, có nhiều điều phải được xem xét trước tiên. Các hạt nhân, chẳng hạn như của A, có proton và do đó là dương. Khi hai nguyên tử A ở rất xa nhau, nghĩa là ở một khoảng cách lớn giữa các hạt nhân (hình trên), chúng không chịu lực hút nào.

Khi hai nguyên tử A đến gần hạt nhân của chúng, chúng hút đám mây electron của nguyên tử lân cận (vòng tròn màu tím). Đây là lực hút (A trên vòng tròn màu tím lân cận). Tuy nhiên, hai hạt nhân của A đẩy nhau vì chúng cùng dương, và lực này làm tăng thế năng của liên kết (trục tung).

Có khoảng cách giữa các hạt nhân mà ở đó thế năng đạt cực tiểu; nghĩa là cả lực hút và lực đẩy (hai nguyên tử A ở phần dưới của hình) cân bằng.

Nếu khoảng cách này giảm dần sau thời điểm này, liên kết sẽ làm cho hai hạt nhân đẩy nhau rất mạnh, làm mất ổn định hợp chất AA.

Vì vậy, để liên kết hình thành phải có một khoảng cách giữa các hạt nhân đầy đủ về mặt năng lượng; và hơn nữa, các obitan nguyên tử phải trùng nhau một cách chính xác để các electron liên kết.

Các hợp chất dị nhân AB

Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì hai nguyên tử của A, một của A và nguyên tử kia của B được tham gia? Trong trường hợp này, đồ thị trên sẽ thay đổi vì một trong các nguyên tử sẽ có nhiều proton hơn nguyên tử kia và các đám mây electron sẽ có kích thước khác nhau.

Khi liên kết A - B hình thành ở khoảng cách giữa các hạt nhân thích hợp, cặp electron sẽ được tìm thấy chủ yếu ở vùng lân cận của nguyên tử âm điện nhất. Đây là trường hợp của tất cả các hợp chất hóa học hạt nhân, tạo nên phần lớn các hợp chất đã biết (và sẽ được biết đến).

Mặc dù không được đề cập sâu, có rất nhiều biến số ảnh hưởng trực tiếp đến cách các nguyên tử tiếp cận và các liên kết hóa học được hình thành; một số là nhiệt động lực học (phản ứng có tự phát không?), điện tử (các obitan nguyên tử đầy hay rỗng như thế nào) và các loại khác có động năng.

Các loại liên kết hóa học

Liên kết có một loạt các đặc điểm để phân biệt chúng với nhau. Một số trong số chúng có thể được phân loại theo ba cách phân loại chính: cộng hóa trị, ion hoặc kim loại.

Mặc dù có những hợp chất mà các liên kết thuộc về một loại đơn lẻ, nhưng nhiều hợp chất thực sự bao gồm hỗn hợp các ký tự của mỗi loại. Thực tế này là do sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử tạo thành liên kết. Do đó, một số hợp chất có thể là cộng hóa trị, nhưng có một số đặc tính ion trong liên kết của chúng.

Tương tự như vậy, loại liên kết, cấu trúc và khối lượng phân tử là những yếu tố chính xác định các tính chất vĩ mô của vật chất (độ sáng, độ cứng, độ hòa tan, điểm nóng chảy, v.v.).

- Liên kết hóa trị

Liên kết cộng hóa trị là những liên kết đã được giải thích cho đến nay. Trong chúng, hai obitan (mỗi obitan một electron) phải xen phủ các hạt nhân cách nhau một khoảng cách thích hợp giữa các hạt nhân.

Theo lý thuyết orbital phân tử (TOM), nếu sự xen phủ của các obitan là trực diện, một liên kết sigma σ sẽ được hình thành (còn được gọi là liên kết đơn giản hoặc đơn giản). Trong khi nếu các obitan được hình thành bởi sự xen phủ bên và vuông góc đối với trục giữa hạt nhân, chúng ta sẽ có các liên kết π (đôi và ba):

Nguồn: Gabriel Bolívar

Liên kết đơn giản

Liên kết σ, như có thể thấy trong hình, được hình thành dọc theo trục giữa hạt nhân. Mặc dù không được hiển thị, A và B có thể có các liên kết khác, và do đó môi trường hóa học của chúng (các phần khác nhau của cấu trúc phân tử). Loại liên kết này được đặc trưng bởi sức mạnh quay của nó (hình trụ màu xanh lá cây) và là loại liên kết mạnh nhất.

Ví dụ, liên kết đơn trong phân tử hiđrô có thể quay quanh trục giữa các hạt nhân (H - H). Tương tự, một phân tử CA - AB giả định có thể.

Liên kết C - A, A - A, và A - B xoay vòng; nhưng nếu C hoặc B là các nguyên tử hoặc một nhóm nguyên tử cồng kềnh, thì chuyển động quay A - A bị cản trở (vì C và B sẽ va chạm).

Liên kết đơn được tìm thấy trong thực tế tất cả các phân tử. Các nguyên tử của nó có thể có bất kỳ sự lai hóa hóa học nào miễn là sự xen phủ của các obitan của chúng là trực diện. Quay trở lại cấu trúc của vitamin B ₁₂ , bất kỳ dòng đơn (-) nào cũng chỉ một liên kết đơn (ví dụ, liên kết –CONH ₂ ).

Liên kết đôi

Liên kết đôi đòi hỏi các nguyên tử phải (thường) lai hóa sp ² . Liên kết p nguyên chất, vuông góc với ba obitan lai hóa sp ² , tạo thành liên kết đôi, được biểu thị dưới dạng tờ màu xám.

Lưu ý rằng cả liên kết đơn (hình trụ màu xanh lá cây) và liên kết đôi (hình trụ màu xám) cùng tồn tại cùng một lúc. Tuy nhiên, khác với liên kết đơn, liên kết đôi không có cùng độ tự do quay quanh trục giữa các hạt nhân. Điều này là do, để xoay, liên kết (hoặc lá) phải phá vỡ; quá trình cần năng lượng.

Ngoài ra, liên kết A = B phản ứng mạnh hơn liên kết A - B. Chiều dài của nó ngắn hơn và các nguyên tử A và B ở khoảng cách giữa các hạt nhân ngắn hơn; do đó, có lực đẩy lớn hơn giữa cả hai hạt nhân. Việc phá vỡ cả liên kết đơn và liên kết đôi đòi hỏi nhiều năng lượng hơn năng lượng cần thiết để tách các nguyên tử trong phân tử A - B.

Trong cấu trúc của vitamin B ₁₂ có thể quan sát thấy một số liên kết đôi: C = O, P = O, và trong vòng thơm.

Liên kết ba

Liên kết ba thậm chí còn ngắn hơn liên kết đôi và sự quay của nó bị cản trở nhiều hơn về mặt năng lượng. Trong đó, hai liên kết π được hình thành vuông góc với nhau (các tấm màu xám và màu tím), cũng như một liên kết đơn.

Thông thường, phép lai hoá học của nguyên tử A và B phải là sp: hai obitan sp cách nhau 180º, và hai obitan p nguyên chất vuông góc với obitan thứ nhất. Lưu ý rằng liên kết ba trông giống như một mái chèo, nhưng không có lực quay. Liên kết này có thể được biểu diễn đơn giản là A≡B (N≡N, phân tử nitơ N ₂ ).

Trong tất cả các liên kết cộng hóa trị, đây là liên kết dễ phản ứng nhất; nhưng đồng thời, chất cần nhiều năng lượng hơn để phân tách hoàn toàn các nguyên tử của nó (· A: +: B ·). Nếu vitamin B ₁₂ có một liên kết ba trong cấu trúc phân tử của nó, thì tác dụng dược lý của nó sẽ thay đổi đáng kể.

Sáu electron tham gia vào liên kết ba; tăng gấp đôi, bốn electron; và trong đơn giản hoặc đơn giản, hai.

Sự hình thành một hoặc nhiều liên kết cộng hóa trị này phụ thuộc vào tính sẵn có điện tử của các nguyên tử; nghĩa là, các obitan của chúng cần bao nhiêu electron để có được một octet hóa trị.

Liên kết không phân cực

Liên kết cộng hóa trị bao gồm sự chia sẻ bằng nhau của một cặp electron giữa hai nguyên tử. Nhưng điều này chỉ đúng trong trường hợp cả hai nguyên tử đều có độ âm điện bằng nhau; nghĩa là, cùng một xu hướng thu hút mật độ electron từ môi trường xung quanh vào một hợp chất.

Liên kết không phân cực được đặc trưng bởi sự chênh lệch độ âm điện rỗng (ΔE≈0). Điều này xảy ra trong hai trường hợp: trong hợp chất homonuclear (A ₂ ), hoặc nếu môi trường hóa học ở cả hai phía của liên kết là tương đương (H ₃ C - CH ₃ , phân tử etan).

Ví dụ về liên kết không phân cực được thấy trong các hợp chất sau:

-Hydrogen (H - H)

-Oxy (O = O)

-Nitrogen (N≡N)

-Fluorine (F - F)

-Chloro (Cl - Cl)

-Acetylene (HC≡CH)

Trái phiếu cực

Khi có sự khác biệt rõ rệt về độ âm điện ΔE giữa cả hai nguyên tử, mômen lưỡng cực được hình thành dọc theo trục liên kết: A ^{δ +} –B ^δ- . Trong trường hợp của hợp chất hạt nhân AB, B là nguyên tử âm điện nhất, và do đó, nó có mật độ electron cao hơn δ-; trong khi A, kém âm điện nhất, bị thiếu điện tích δ +.

Để xảy ra liên kết có cực, hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau phải tham gia; và do đó, tạo thành các hợp chất hạt nhân. A - B giống nam châm: nó có cực dương và cực âm. Điều này cho phép nó tương tác với các phân tử khác thông qua các lực lưỡng cực-lưỡng cực, trong số đó là các liên kết hydro.

Nước có hai liên kết cộng hóa trị phân cực, H - O - H, và hình học phân tử của nó là góc, làm tăng mômen lưỡng cực của nó. Nếu dạng hình học của nó là tuyến tính, các đại dương sẽ bốc hơi và nước sẽ có nhiệt độ sôi thấp hơn.

Thực tế là một hợp chất có liên kết phân cực không có nghĩa là nó có cực . Ví dụ, cacbon tetraclorua, CCl ₄ , có bốn liên kết C - Cl phân cực, nhưng do sự sắp xếp tứ diện của chúng, mômen lưỡng cực cuối cùng bị triệt tiêu theo vectơ.

Liên kết gốc hoặc liên kết phối hợp

Khi một nguyên tử nhường một cặp electron để tạo thành liên kết cộng hóa trị với nguyên tử khác, thì chúng ta nói đến liên kết âm hoặc liên kết phối trí. Ví dụ, có B: cặp electron có sẵn, và A (hoặc A ⁺ ), một chỗ trống điện tử, liên kết B: A được hình thành.

Trong cấu trúc của vitamin B ₁₂ , năm nguyên tử nitơ được liên kết với tâm kim loại của Co thông qua loại liên kết cộng hóa trị này. Các nitrogens này nhường cặp electron tự do của chúng cho cation Co ³⁺ , kim loại phối hợp với chúng (Co ³⁺ : N–)

Một ví dụ khác có thể được tìm thấy trong proton hóa một phân tử amoniac để tạo thành amoniac:

H ₃ N: + H ⁺ => NH ₄ ⁺

Lưu ý rằng trong cả hai trường hợp, nguyên tử nitơ đóng góp các electron; do đó, liên kết cộng hóa trị âm hoặc phối trí xảy ra khi một nguyên tử đóng góp cặp electron.

Theo cách tương tự, phân tử nước có thể được proton hóa để trở thành cation hydronium (hoặc oxonium):

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

Không giống như cation amoni, hydronium vẫn có một cặp electron tự do (H ₃ O: ⁺ ); tuy nhiên, rất khó để nó chấp nhận một proton khác để tạo thành dication hydronium không bền, H ₄ O ²⁺ .

-Sự gắn kết

Nguồn: Pixabay

Trong ảnh là một đồi muối trắng xóa. Các muối được đặc trưng bởi có cấu trúc tinh thể, có nghĩa là, đối xứng và có trật tự; điểm nóng chảy và sôi cao, độ dẫn điện cao khi nóng chảy hoặc hòa tan, đồng thời, các ion của nó liên kết mạnh bởi tương tác tĩnh điện.

Những tương tác này tạo nên cái được gọi là liên kết ion. Trong bức ảnh thứ hai điểm A ⁺ cation bao quanh bởi bốn B ^- anion được hiển thị , nhưng đây là một đại diện 2D. Trong không gian ba chiều, A ⁺ nên có các anion B khác ^{- ở} phía trước và phía sau mặt phẳng, tạo thành các cấu trúc khác nhau.

Do đó, A ⁺ có thể có sáu, tám hoặc thậm chí mười hai người hàng xóm. Số lân cận xung quanh một ion trong tinh thể được gọi là số phối trí (NC). Đối với mỗi NC, một kiểu sắp xếp tinh thể được liên kết, từ đó tạo thành pha rắn của muối.

Các tinh thể đối xứng và có mặt trong các muối là do cân bằng được thiết lập bởi các tương tác tĩnh điện của lực hút (A ⁺ B ^- ) và lực đẩy (A ⁺ A ⁺ , B ^- B ^- ).

Đào tạo

Nhưng tại sao A + và B ^- , hoặc Na ⁺ và Cl ^- , không tạo thành liên kết cộng hóa trị Na - Cl? Vì nguyên tử clo có độ âm điện lớn hơn nhiều so với kim loại natri, nguyên tử này cũng có đặc điểm là rất dễ nhường electron. Khi các nguyên tố này gặp nhau, chúng phản ứng tỏa nhiệt để tạo ra muối ăn:

2Na (s) + Cl ₂ (g) => 2NaCl (s)

Hai nguyên tử natri nhường electron hóa trị duy nhất của chúng (Na ·) cho phân tử nguyên tử Cl ₂ , do đó tạo thành anion Cl ^- .

Tương tác giữa các cation natri và anion clorua, mặc dù chúng thể hiện một liên kết yếu hơn các liên kết cộng hóa trị, nhưng có khả năng giữ chúng liên kết mạnh mẽ trong chất rắn; và thực tế này được phản ánh trong nhiệt độ nóng chảy của muối cao (801ºC).

Liên kết kim loại

Nguồn: Pixnio

Loại cuối cùng của các loại liên kết hóa học là kim loại. Điều này có thể được tìm thấy trên bất kỳ bộ phận kim loại hoặc hợp kim nào. Nó có đặc điểm là đặc biệt và khác biệt so với những nguyên tử khác, do thực tế là các electron không truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, mà là di chuyển, giống như biển, xuyên qua tinh thể kim loại.

Do đó, các nguyên tử kim loại, hay nói là đồng, xen kẽ các obitan hóa trị của chúng với nhau để tạo thành các dải dẫn; qua đó các electron (s, p, dof) đi xung quanh các nguyên tử và giữ chúng chặt chẽ với nhau.

Tùy thuộc vào số lượng electron đi qua tinh thể kim loại, các obitan được cung cấp cho các dải, và sự đóng gói các nguyên tử của nó, kim loại có thể mềm (như kim loại kiềm), cứng, sáng bóng hoặc dẫn điện tốt và nóng bức.

Lực giữ các nguyên tử của kim loại lại với nhau, chẳng hạn như lực tạo nên người đàn ông nhỏ bé trong ảnh và máy tính xách tay của anh ta, lớn hơn lực của muối.

Điều này có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm vì các tinh thể của muối có thể bị chia thành nhiều nửa trước một lực cơ học; trong khi một mảnh kim loại (bao gồm các tinh thể rất nhỏ) biến dạng.

Ví dụ về liên kết

Bốn hợp chất sau đây bao gồm các loại liên kết hóa học được giải thích:

-Sodium florua, NaF (Na ⁺ F ^- ): ion.

-Sodium, Na: kim loại.

-Fluorine, F ₂ (F - F): cộng hóa trị không cực, do có một ΔE rỗng giữa cả hai nguyên tử vì chúng giống hệt nhau.

-Hydro florua, HF (H - F): cộng hóa trị có cực, vì trong hợp chất này flo có độ âm điện lớn hơn hiđro.

Có những hợp chất, chẳng hạn như vitamin B ₁₂ , có cả liên kết cộng hóa trị phân cực và ion (ở điện tích âm của nhóm photphat –PO ₄ ^- -). Trong một số cấu trúc phức tạp, chẳng hạn như cấu trúc của các cụm kim loại, tất cả các loại liên kết này thậm chí có thể cùng tồn tại.

Vật chất cung cấp trong tất cả các biểu hiện của nó ví dụ về liên kết hóa học. Từ hòn đá dưới đáy ao và nước bao quanh nó, đến những con cóc ngoằn ngoèo ở rìa của nó.

Mặc dù các liên kết có thể đơn giản, nhưng số lượng và sự sắp xếp không gian của các nguyên tử trong cấu trúc phân tử tạo nên sự đa dạng phong phú của các hợp chất.

Tầm quan trọng của liên kết hóa học

Tầm quan trọng của liên kết hóa học là gì? Số lượng hậu quả khôn lường mà sự vắng mặt của liên kết hóa học sẽ gây ra cho thấy tầm quan trọng to lớn của nó trong tự nhiên:

- Không có nó, màu sắc sẽ không tồn tại, vì các electron của nó sẽ không hấp thụ bức xạ điện từ. Bụi và các hạt băng có trong khí quyển sẽ biến mất, và do đó màu xanh của bầu trời sẽ chuyển sang màu tối.

-Cacbon không thể hình thành chuỗi vô tận của nó, từ đó hàng tỷ hợp chất hữu cơ và sinh học tạo ra.

- Protein thậm chí không thể được xác định trong các axit amin cấu thành của chúng. Đường và chất béo sẽ biến mất, cũng như bất kỳ hợp chất cacbon nào trong cơ thể sống.

- Trái đất sẽ không có bầu khí quyển, bởi vì nếu không có các liên kết hóa học trong các chất khí của nó, sẽ không có lực để giữ chúng lại với nhau. Cũng không có sự tương tác giữa các phân tử nhỏ nhất giữa chúng.

-Nguồn nước có thể biến mất, bởi vì đá và khoáng chất của chúng, mặc dù nặng, không thể chứa các nguyên tử đóng gói bên trong cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình của chúng.

- Thế giới sẽ được tạo thành từ các nguyên tử đơn độc không có khả năng tạo thành các chất rắn hoặc lỏng. Điều này cũng dẫn đến sự biến mất của mọi sự biến đổi của vật chất; nghĩa là, sẽ không có phản ứng hóa học. Chỉ là khí phù du ở khắp mọi nơi.

Người giới thiệu

1. Harry B. Gray. (Năm 1965). Electron và liên kết hóa học. WA BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập, tr 233, 251, 278, 279.
3. Nave R. (2016). Liên kết hóa học. Đã khôi phục từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Các loại liên kết hóa học. (3 tháng 10 năm 2006). Lấy từ: dwb4.unl.edu
5. Hình thành liên kết hóa học: Vai trò của electron. . Phục hồi từ: cod.edu
6. Cơ sở CK-12. (sf). Năng lượng và sự hình thành liên kết cộng hóa trị. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Liên kết cộng hóa trị phối hợp hoặc cực âm. Được khôi phục từ: quimitube.com