Kas ir ķīmiskā saistīšana?

Atomu struktūra

Atomi sastāv no kodola, kas satur pozitīvi lādētus protonus, kuru ieskauj vienāds skaits negatīvi lādētu elektronu. Tāpēc parasti tie ir elektriski neitrāli. Tomēr atoms var zaudēt vai iegūt vienu vai vairākus elektronus, piešķirot tam pozitīvu vai negatīvu lādiņu. Ja cilvēkam ir elektriskais lādiņš, to sauc par jonu.

Tie ir elektroni, kas ir iesaistīti ķīmiskajā saitē. Šīs daļiņas ir sakārtotas čaumalās, par kurām var uzskatīt, ka tās atrodas arvien lielākā attālumā no kodola. Parasti, jo tālāk no kodola atrodas čaumalas, jo vairāk enerģijas tiem ir. Ir ierobežots elektronu skaits, kas var aizņemt čaulu. Piemēram, pirmajam, visdziļākajam apvalkam ir divu ierobežojumu, bet nākamajam – astoņiem.

Vairumā gadījumu savienošanā piedalās tikai elektroni, kas atrodas visattālākajā apvalkā. Tos bieži sauc par valences elektroniem. Parasti atomiem ir tendence apvienoties savā starpā tā, lai tie visi iegūtu pilnīgus ārējos apvalkus, jo šīm konfigurācijām parasti ir mazāk enerģijas. Elementu grupai, kas pazīstama kā cēlgāzes — hēlijs, neons, argons, kriptons, ksenons un radons — jau ir pilni ārējie apvalki, un tāpēc tie parasti neveido ķīmiskās saites. Citi elementi parasti mēģinās panākt cēlgāzes struktūru, dodot, pieņemot vai daloties ar elektroniem ar citiem atomiem.

Ķīmiskās saites dažreiz tiek attēlotas ar to, ko sauc par Lūisa struktūru, kas nosaukta amerikāņu ķīmiķa Gilberta N. Lūisa vārdā. Lūisa struktūrā valences elektroni ir attēloti ar punktiem, kas atrodas tieši ārpus molekulas elementu ķīmiskajiem simboliem. Tie skaidri parāda, kur elektroni ir pārvietojušies no viena atoma uz otru un kur tie ir sadalīti starp atomiem.

Jonu saistīšana

Šāda veida ķīmiskā saite notiek starp metāliem, kas viegli atsakās no elektroniem, un nemetāliem, kas tos ļoti vēlas pieņemt. Metāls nodod elektronus savā nepilnīgajā ārējā apvalkā nemetālam, atstājot šo apvalku tukšu, tādējādi pilnais apvalks zemāk kļūst par tā jauno attālāko apvalku. Nemetāls pieņem elektronus, lai aizpildītu tā nepilnīgo attālāko apvalku. Tādā veidā abi atomi ir sasnieguši pilnīgus ārējos apvalkus. Tas atstāj metālu ar pozitīvu lādiņu un nemetālu ar negatīvu lādiņu, tāpēc tie ir pozitīvi un negatīvi joni, kas piesaista viens otru.

Vienkāršs piemērs ir nātrija fluorīds. Nātrijam ir trīs apvalki, no kuriem viens valences elektrons atrodas visattālākajā. Fluoram ir divi apvalki, un septiņi elektroni atrodas tālākajā. Nātrijs piešķir savu vienu valences elektronu fluora atomam, tāpēc nātrijam tagad ir divi pilnīgi apvalki un pozitīvs lādiņš, bet fluoram ir divi pilnīgi apvalki un negatīvs lādiņš. Iegūtā molekula – nātrija fluorīds – satur divus atomus ar pilnīgiem ārējiem apvalkiem, kas savienoti kopā ar elektrisko pievilcību.

Kovalentā saite

Nemetālu atomi savienojas viens ar otru, daloties elektronos tā, ka tie pazemina kopējo enerģijas līmeni. Tas parasti nozīmē, ka, apvienojot tos, tiem visiem ir pilni ārējie apvalki. Lai ņemtu vienkāršu piemēru, ūdeņradim ir tikai viens elektrons savā pirmajā un vienīgajā apvalkā, līdz ar to tam trūkst pilna apvalka. Divi ūdeņraža atomi var dalīties ar saviem elektroniem, veidojot molekulu, kurā abiem ir pilns ārējais apvalks.

Bieži vien ir iespējams paredzēt, kā atomi savienosies viens ar otru, pamatojoties uz tajos esošo elektronu skaitu. Piemēram, ogleklim ir seši, kas nozīmē, ka tam ir pilns pirmais apvalks no diviem un visattālākais apvalks ir četri, atstājot četrus mazāk nekā pilna ārējā apvalka. Skābeklim ir astoņi, un tā ārējā apvalkā ir seši — divi ir mazāki par pilnu apvalku. Oglekļa atoms var apvienoties ar diviem skābekļa atomiem, veidojot oglekļa dioksīdu, kurā ogleklim ir četri elektroni, divi ar katru skābekļa atomu, un skābekļa atomiem savukārt ir divi elektroni ar oglekļa atomu. Tādā veidā visiem trim atomiem ir pilni ārējie apvalki, kas satur astoņus elektronus.

Metāla līmēšana

Metāla gabalā valences elektroni var vairāk vai mazāk brīvi pārvietoties, nevis pieder atsevišķiem atomiem. Tāpēc metāls sastāv no pozitīvi lādētiem joniem, ko ieskauj mobilie, negatīvi lādēti elektroni. Jonus var salīdzinoši viegli pārvietot, taču tos ir grūti atdalīt, jo tie piesaista elektronus. Tas izskaidro, kāpēc metālus parasti ir viegli saliekt, bet grūti salauzt. Elektronu kustīgums arī izskaidro, kāpēc metāli ir labi elektrības vadītāji.

Ūdeņraža saistīšana

Atšķirībā no iepriekš minētajiem piemēriem, ūdeņraža saite ietver saiti starp molekulām, nevis to iekšienē. Kad ūdeņradis apvienojas ar elementu, kas spēcīgi piesaista elektronus, piemēram, fluoru vai skābekli, elektroni tiek izvilkti no ūdeņraža. Tā rezultātā veidojas molekula ar kopējo pozitīvu lādiņu vienā pusē un negatīvu lādiņu otrā pusē. Šķidrumā pozitīvās un negatīvās puses piesaista viena otru, veidojot saites starp molekulām.

Lai gan šīs saites ir daudz vājākas nekā jonu, kovalentās vai metāliskās saites, tās ir ļoti svarīgas. Ūdeņraža saite notiek ūdenī, savienojumā, kas satur divus ūdeņraža atomus un vienu skābekļa atomu. Tas nozīmē, ka ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai šķidru ūdeni pārvērstu gāzē, nekā tas būtu citādi. Bez ūdeņraža saites ūdenim būtu daudz zemāks viršanas punkts, un tas nevarētu pastāvēt uz Zemes kā šķidrums.