Lektionssammanfattning Kemisk bindning
Transcription
Lektionssammanfattning Kemisk bindning
Lektionssammanfattning Kemisk bindning Både i grundämnen och kemiska föreningar måste det finnas krafter som håller ihop atomerna på något sätt. Hur skulle vi annars kunna bygga hus och broar? Hur skulle vi kunna åka skridskor på vintern eller åka vattenskidor på sommaren. Vi ska nu reda ut vad dessa olika bindningar heter, hur de fungerar och vilka skillnader det är mellan de. Om vi först titta på grundämnen och då speciellt på metaller, så har metaller en väldigt egen typ av bindning. Bindningstypen kallas metallbindning, vilket är lätt att komma ihåg. Den fungerar så att metallatomerna inte håller reda på sina ”privata” valenselektroner, utan använder de gemensamt. Man kan alltså föreställa sig metallatomerna som positiva kroppar och mellan dessa ”flyter” deras valenselektronerna som ett slags negativt klister. Du ser i följande tre illustrationer hur man skulle kunna föreställa sig metallbindningen. Det spelar ingen roll om det är en ren metall, eller om det är en legering, bindningarna ser i princip likadana ut. Den andra typen av bindningar kallas jonbindning och den finner vi, precis som namnet säger mellan joner i så kallade jonföreningar. Man kan enkelt säga, om en metall bildar en kemisk förening med ett annat grundämne eller flera andra grundämnen få bildas alltid jonbindning mellan metalljonen och resten av föreningen. Om nämligen en metall reagerar i en kemisk reaktion, så avger den alltid en, eller flera elektroner och bildar då en positiv laddat jon. Vi har sett det tidigare när vi pratade om de olika huvudgrupperna. T ex Na → Na+ + 1e- Mg → Mg2+ + 2e- Al → Al3+ + 3e- Pb → Pb4+ + 4e- De negativa jonerna som sådana metalljoner sitter bundna till kan antingen vara så kallade negativa atomjoner (alltid ickemetaller), eller sammansatta negativa molekyljoner, även de, (för det mesta), bestående av olika ickemetaller. Negativa atomjoner Sammansatta negativa molekyljoner N3-, O2-, S2-, F-, Br- CO32-, NO3-, HPO42-, SCN- Då man skriver en kemisk formel för en jonförening, ska alltid antalet positiva laddningar och antalet negativa laddningar vara lika stora i formeln. T ex Natriumsulfat innehåller natriumjon, Na+ och sulfatjon, SO42-. Eftersom natriumjonen har laddningen 1+ och sulfatjonen har laddningen 2-, så behövs 2 natriumjoner och en sulfatjon för att kunna skriva formeln för saltet. Alltså blir Na2SO4 den kemiska formeln för saltet. Apropå salt, så kallar man alla jonföreningar även för salter. Ett exempel till om vi ska skriva den kemiska formeln för aluminiumkarbonat, så har ju aluminiumjonen laddningen 3+, Al 3+, och karbonatjonen har laddningen 2-, CO32-. Då behövs alltså två aluminiumjoner och tre karbonatjoner för att laddningen i formeln ska bli lika med noll. Vi skriver alltså Al2(CO3)3 Du ser här, att jag satte en parentes kring karbonatjonen, det gör jag för att hela karbonatjonen som ska vara med tre gånger i formeln för aluminiumkarbonat. Vi vet ju, på grund av placeringen i periodiska systemet, att alkalimetalljonerna alltid har laddningen 1+, alkaliska jordartsmetalljonerna har alltid laddningen 2+ och aluminiumjoner alltid laddningen 3+. Men för de övriga metallerna är det inte alls så enkelt . Därför skriver man inte bara t ex järnjon när man menar Fe 2+ jonen utan man skriver järn(II)jon. Det finns nämligen en järnjon till, Fe 3+ jonen eller med ord, järn(III)jon. Testa nu om du kan skriva de kemiska formlerna för följande salter, (jonföreningar). Natriumklorid, kaliumsulfid, litiumsulfit, kalciumoxid, bariumsulfat, magnesiumfosfat, aluminiumklorid. Järn(II)karbonat, järn(III)karbonat, krom(VI)oxid, koppar(II)fosfat, silver(I)sulfat, tenn(IV)fosfat. Den tredje Bindningstypen som kallas elektronparbindning, eller kovalent bindning, är den som är typiskt inom molekyler. Här är det huvudsakligen ickemetaller som bildar kemiska föreningar med varandra som: Väte och syre bildar vattenmolekyler Kol och syre bildar koldioxidmolekyler Väte och klor bildar vätekloridmolekyler. En molekyl är en minsta enhet, sammansatt av två eller flera atomer. Atomerna hålls samman av ett eller flera elektronpar beroende på hur många ensamma elektroner varje atom har. T ex Två väteatomer har varsin ensamma elektron och då är det lätt för de att bilda ett elektronpar med varandra dvs. en kovalent bindning. Två syreatomer har två ensamma elektroner vardera, då kan de bilda två elektronpar med varandra, dvs. två kovalenta bindningar. Om nu väteatomer reagerar med syreatomer, kan syreatomen bilda ett elektronpar tillsammans med den ena väteatomen och ytterligare ett elektronpar med den andra väteatomen. Den bildade kemiska föreningen kallar vi då vatten. Vatten är alltså en molekyl bestående av två väteatomer och en syreatom och molekylen hålls samman av två kovalenta bindningar. Tar vi istället en väteatom och en kloratom, så har ju vardera endast en ensam elektron, vilket innebär att väte och klor bara kan bilda ett gemensamt elektronpar med varandra, alltså en kovalent bindning. Kolatomen har 4 ensamma elektroner, den kan alltså binda till totalt fyra väteatomer, alltså finns det 4 kovalenta bindningar i en sådan molekyl. Binder kolatomen till syreatomer istället så bildas två elektronpar mellan kolatomen och den ena syreatomen och ytterligare två elektronpar mellan kolatomen och den andra syreatomen. Om vi nu tittar lite närmare på dessa 4 molekyler, så är två av de så kallade polära molekyler, vattenmolekylen och vätekloridmolekylen. De andra 2, metanmolekylen och koldioxidmolekylen är opolära molekyler. På ett enkelt sätt kan man säga att opolära molekyler är fullständigt symmetriska, medan polära molekyler ar det inte. Denna egenskap påverka deras sätt att binda till varandra vilket vi ska reda ut lite senare. Eftersom alla ämnen även helium kan anta det fasta tillståndet måste det även finnas bindningar som håller ihop molekylerna och vissa atomer. Det kan naturligtvis inte vara tal om några elektronpar eller liknande som binder samman molekylerna, utan det måste vara svaga attraktionskrafter. Beroende på bindningarnas styrka så har man delat in dessa bindningar i 3 grupper. Vätebindningar Dipol-dipol bindningar Van der Waals bindningar De starkaste av dessa tre bindningar är vätebindning. Det finns inte så många olika molekyler som kan åstadkomma den typen av bindning, det krävs nämligen vissa förutsättningar för det. Molekylen måste antingen innehålla F-H, O-H eller N-H Av F-H ”sorten” finns naturligtvis bara en, eftersom fluor bara kan binda till en annan atom och den måste ju vara väte. Däremot av O-H sorten och N-H sorten finns det betydligt fler, därför att, syret kan binda till två andra atomer och bara en av dessa behöver vara en väteatom, och kväve kan binda till tre andra atomer där bara en behöver vara en väteatom. Det som är gemensamt för dessa tre ”sorter” är att de innehåller en atom som dels har hög elektronegativitet, dvs. en atom med stark förmåga att dra till sig elektroner, och att de allihop ”äger” ett eller fler fria elektronpar. Exempel på kemiska föreningar som bildar vätebindningar med varandra eller liknande föreningar är: Vätefluorid HF Vatten H2O Alkoholer R-OH Karboxylsyror R-COOH Ammoniak NH3 Aminer R-NH2 Så vill du veta om en molekylförening kan bilda vätebindningar, behöver du bara hålla utkik efter F-H, -O-H eller –N-H. Vi hoppar över dipol-dipolbindningen så länge och tittar på van der Waalsbindningen (vdW) istället. vdW-bindning förekommer huvudsakligen mellan opolära atomer och opolära molekyler. Opolära atomer finns inte så många, det är i stort sätt bara ädelgaserna, helium, neon, argon, krypton, xenon och radon. Opolära molekyler däremot finns en hel del utav. Där har vi t ex grundämnesmolekyler som H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2 och I2. I dessa molekyler sitter ju två likadana atomer mittemot varandra, så det måste ju vara samma elektrontäthet hos båda, alltså är de opolära. Tittar vi däremot på molekyler som består av olika grundämnen så är det inte lika enkelt. Atomerna måste nämligen vara ordnade på ett symmetriskt sätt för att molekylen ska vara opolär, det gäller bland annat för metanmolekylen, CH 4 och koldioxidmolekylen, CO2. CH4 CO2 Som du ser av 3D modellerna är väteatomerna i CH4 molekylen jämnt fördelade kring kolatomen dvs. Molekylen är fullständigt symmetriskt. I CO2 molekylen sitter syreatomerna mittemot varandra med kolatomen mellan sig. De halvgenomskinliga blåröda ”skalen” runtomkring molekylmodellerna ska föreställa molekylernas yta. Blått symboliserar positiva områden och rött negativa områden. Van der Waal's bindning beror på att opolära atomer (ädelgaser) och opolära molekyler under korta ögonblick kan bli så kallade momentana dipoler. Det vill säga en liten snedfördelning av elektroner, alltså en lite mer positiv och en lite mer negativ sida hos atomen eller molekylen. Om nu den omgivande energin blir tillräckligt låg, så att atomernas respektive molekylernas hastighet avtagit avsevärt, så kan dessa atomer eller molekyler attrahera och binda till varandra med den så kallade van der Waal's bindningen. Det finns gratisprogram som kan hjälpa dig att rita sådana modeller. Ett av de heter ”MarvinBeans” och kan laddas ned ifrån Chemaxon. Om vi nu sammanfattar det vi sa om vätebindningar och van der Waals bindningar, och vilka molekyler, respektive atomer, som kan bilda dessa bindningar med varandra. Alla molekyler som innehåller F-H, O-H eller N-H kan bilda vätebindningar med varandra. Alla molekyler och atomer som förekommer som fria opolära partiklar, kan bilda van der Waalsbindningar med varandra. Alla övriga molekyler, som alltså inte passar in på vätebindningstypen, eller van der Waals typen, bildar istället dipol-dipolbindningar. Jon-dipol-bindning Hur kan man då förklara att ett salt t.ex. natriumklorid kan lösas upp i vatten? Vattenmolekyler som är väldigt starka dipoler (som vi sa tidigare), kan med sin negativa sida, det vill säga med syreatomens fria elektronpar, attackera positiva joner i en jonkristall, t.ex. natriumjoner i en natriumkloridkristall. Med den positiva sidan kan vattenmolekylerna istället attackera negativa joner i kristallen, alltså kloridjonerna. Dessa attacker är så våldsamma att vattenmolekylerna bokstavligen sliter loss positiva och negativa joner ur kristallen. Varje avlägsnad jon omsluts då omedelbart av ett vattenmolekylshölje och jonerna har då ingen möjlighet att binda till varandra. Saltet har alltså lösts upp.