Kovalens kötés, molekulák

Az atomok közös elektronpár kialakításával is elérhetik a nemesgázszerkezetet, a közös elektronpárral létrejövő kötést kovalens kötésnek nevezzük. A kötő elektronpár csak ellentétes spinű elektronokból jöhet létre.

Kovalens kötés kialakulásakor a vegyértékelektronok az atompályákról molekulapályára kerülnek. A molekulapálya az a térrész, ahol a kötő elektronpár 90 %-os valószínűséggel megtalálható.

A kötésben részt nem vevő elektronpárokat nemkötő elektronpároknak nevezzük.

Molekulának nevezzük az olyan semleges részecskéket, melyek két vagy több atomból kovalens kötéssel képződnek. A molekulák összetételét képlettel adjuk meg. A molekulát alkotó atomok vegyjelét egymás mellé írjuk, a vegyjel utáni alsó indexbe írt szám azt jelöli, hogy hány atom van belőle a molekulában. Az egy atomot számmal külön nem jelöljük, csak a vegyjellel. A molekulaképletet összegképletnek (vagy tapasztalati képletnek) is nevezzük.

A molekulaképlet megadása gyakran nem elegendő, mert többféle szerkezeti elrendeződésben kapcsolódhatnak össze az adott atomok. Így például a C₆H₁₂O₆ a szőlőcukor (glükóz) és a gyümölcscukor (fruktóz) összetételét is leírja.

A szerkezeti képlet az atomok egymással való kapcsolódását is megmutatja.

A relatív molekulatömeg megmutatja, hogy az adott molekula hányszor nagyobb tömegű a ¹²C izotóp tömegének 1/12-ed részénél. Jele: M_r, mértékegysége nincs. Értéke a relatív atomtömegből számítható ki.

Kovalens kötést képezhet 1, 2 vagy 3 elektronpár, eszerint a kötés lehet egyszeres, kétszeres vagy háromszoros. (A klóratom külső elektronhéján 7 elektron van, így ha két klóratom között kialakul 1 kötő elektronpár, akkor ezzel mindketten elérik a nemesgázszerkezetet. Oxigénből kétszeres kovalens kötéssel jön létre molekula, mivel közös elektronpár szükséges a neonatom elektronszerkezetének eléréséhez. Háromszoros kötés alakul ki nitrogénatomok között, mivel csak 5 elektronjuk van, ezért 3 közös elektronpárral tudnak stabilis molekulát kialakítani.)

Az első kovalens kötés mindig szigma-kötés, ilyenkor az elektronsűrűség a kötés tengelye mentén a legnagyobb. A második és harmadik elektronpárnak már nincs ebben a térrészben helye, ők π-kötést hoznak létre, amely a kötés tengelyére merőleges síkban alakul ki.

Többszörös kovalens kötés kialakulásának feltétele a kis atomsugár és a nagy elektronegativitás. Ez a szén-, nitrogén- és oxigénatomokra jellemző, a nagyobb méretű, kisebb elektronegativitású atomok inkább egyszeres kovalens kötést létesítenek. (A foszfor például négyatomos molekulát képez, amelyben egyszeres kötések vannak, pedig neki is 5 vegyértékelektronja van, mint a nitrogénnek.)

Az egy atomhoz tartozó kovalens kötések számát kovalens vegyértéknek nevezzük.

Bizonyos esetekben a kovalens kötés úgy jön létre, hogy az egyik atom adja mindkét kötő elektront, az ilyen kötést datív kötésnek nevezzük. Ilyen jön létre például a szén-monoxid (CO) molekulában is harmadik kötésként, melynek elektronpárja kizárólag az oxigénatomtól származik. „Normális esetben” amikor a két elektron külön-külön atomtól származik, a kötést kolligációs kötésnek nevezzük.

A kovalens kötés speciális esete a delokalizált kötés, amelyben a kötést létesítő elektronpár kettőnél több atomtörzs vonzása alatt áll. Például a benzolmolekula hat szénatomjának hat elektronjából három delokalizált π-kötést képez, de a karbonátionban kialakult π-kötés is ilyen.

Kötéspolaritás:

Ha az elektronegativitások különbsége 0, akkor nincs töltéseltolódás, tehát a kötés apoláris. Ha az elektronegativitások különbsége nem 0, akkor az egyikük jobban vonzza az elektronokat, van eltolódás, tehát a kötés poláris.

A kovalens kötést jellemzi a kötési energia. Egy mol molekulában két adott atom közötti kötés felszakításához szükséges energiát kötési energiának nevezzük. Jele: E_k, mértékegysége kJ/mol. Értéke megegyezik a kötés létrejöttekor felszabaduló energiával, de előjele ellentétes.

A kötést létesítő atomok atommagjai közötti távolság a kötéstávolság (vagy kötéshossz). Értéke függ a kapcsolódó atomok méretétől: nagyobb méretű atomok esetében nagyobb a kötéstávolság, ugyanakkor kisebb a kötési energia.

Pl.: egyre növekvő méretű halogénelemek alkotta molekuláknál, hidrogénvegyületeikkel:

(Minél nagyobb halogénelemek alkotnak egymással molekulát, annál nagyobb lesz a kötéstávolság. A hidrogénatom viszont jóval kisebb, mint bármely halogén, ezért adott halogén hidrogénnel alkotott vegyülete ugyanazon halogénmolekulához képest kisebb kötéstávolságú!)

Ha azonos atomok kapcsolódnak kétszeres, illetve háromszoros kötéssel, akkor a kötéstávolság kisebb, mint az egyszeres kötésre jellemző érték, a kötési energia pedig nagyobb. Jól szemléltetik ezt a változást az etán-, az etén- és az etinmolekulában a szénatomok közötti kötési energia és kötéstávolság adatok.

A kapcsolódó atomok kötései által bezárt szöget kötésszögnek nevezzük.

A molekulában azt az atomot, amelyhez több másik kapcsolódik, központi atomnak, a kapcsolódó atomokat vagy atomcsoportokat ligandumoknak nevezzük. A ligandumok elrendeződését a vonzó és taszító hatások alakítják ki. A térszerkezetet mindenekelőtt a

központi atomhoz tartozó kötő és nemkötő elektronpárok száma határozza meg, de a ligandumok száma is fontos.

Ha a központi atomhoz egyszeres és kettős kötés is kapcsolódik, a molekula térszerkezete torzulhat, mert a kettős kötés két elektronpárja erősebben taszítja az egyszeres kötéseket, így például a formaldehid molekula (CH₂O) kötésszöge a várt 120° helyett csak 109°.

A központi atom nemkötő elektronpárjának nagyobb a térigénye, mint a kötő pároknak, mivel csak egy atommag vonzása alatt áll. Ez is a szabályos szerkezet torzulását idézi elő. A kötésszögeket a központi atom mérete is befolyásolja.

Szabályos térszerkezetű molekulák:

(A térszerkezetet a σ kötések határozzák meg.)

Lineáris:

• kötésszög 180°

• kötő elektronpárok száma 2
• pl.: BeCl₂, CO₂ (4 elektronpár!)

Síkháromszög:

• kötésszög 120°

• kötő elektronpárok száma 3
• pl.: BF₃, SO₃ (6 elektronpár!)

Tetraéder:

• kötésszög 109,5°

• kötő elektronpárok száma 4
• pl.: CH₄

Trigonális bipiramis:

• kötésszög 90° és 120°

• kötő elektronpárok száma 5
• pl.: PCl₅

Oktaéder:

• kötésszög 90°

• kötő elektronpárok száma 6
• pl.: SF₆

Molekula polaritása:

Ha a kötés apoláris, akkor a molekula is apoláris!

Ha a kötés poláris, de a molekula szimmetrikus, akkor apoláris.

Ha a kötés poláris, de a molekula nem szimmetrikus, akkor dipólus.

Azonos atomok összekapcsolódásával mindig apoláris molekula jön létre.