A kémiai kötések

Miért kapcsolódnak össze az atomok?

Az atomok közepén az atommag van, körülötte az elektronok mozognak különböző héjakon. A kémiai kötésekben a legkülső héj elektronjai, a vegyértékelektronok vesznek részt.

Az atom felépítése

Molekula: atomok kapcsolódása

Az atomok többsége akkor stabil, ha a legkülső héja teljesen be van töltve, ugyanúgy, mint a nemesgázoké (He, Ne, Ar). Ez nyolc vegyértékelektront jelent, a hidrogénnél és a héliumnál kettőt.

Az atomok kötéssel érik el ezt az állapotot. Háromféleképpen tehetik:

• Elektront adnak le, és elektront vesznek fel → ionos kötés.
• Elektronpárt használnak közösen → kovalens kötés.
• Elektronjaik szabadon mozognak az atomok között → fémes kötés.

Ionos kötés

Az ionos kötés fématomok és nemfématomok között jön létre. A fématom elektront ad le, a nemfématom elektront vesz fel, a keletkező ellentétes töltésű ionok pedig vonzzák egymást.

Kattints a képre a nagyításhoz

Lépésről lépésre: a konyhasó (NaCl)

1. A nátriumatomnak 1 vegyértékelektronja van. Ezt könnyen leadja, így pozitív töltésű nátriumion (Na⁺, kation) lesz.
2. A klóratomnak 7 vegyértékelektronja van, ezért 1 elektront felvesz. Így negatív töltésű kloridion (Cl⁻, anion) lesz, és nyolc vegyértékelektronja lesz.
3. A Na⁺ és a Cl⁻ ellentétes töltése miatt vonzzák egymást. Ez az ionos kötés.

Mekkora töltésű ion keletkezik?

Az atom annyi elektront ad le vagy vesz fel, hogy elérje a nemesgáz-szerkezetet:

További példák ionvegyületekre

• Magnézium-oxid (MgO): Mg²⁺ és O²⁻. A magnézium 2 elektront ad, az oxigén 2 elektront vesz fel, ezért 1 : 1 arányban kapcsolódnak.
• Kalcium-klorid (CaCl₂): egy Ca²⁺ ionhoz két Cl⁻ ion kapcsolódik, mert a kalcium 2 elektront ad le, a klór pedig csak 1-et vesz fel.

Az ionvegyületek tulajdonságai

• Szilárd, kristályos anyagok: az ionok szabályos ionrácsot alkotnak. Nem molekulákból állnak.
• Magas az olvadáspontjuk (a konyhasóé 801 °C).
• Kemények, de törékenyek.
• Szilárd állapotban nem vezetik az áramot. Megolvasztva vagy vízben oldva (ha oldódnak) vezetik, mert az ionok ilyenkor mozogni tudnak.

Kovalens kötés

A kovalens kötés nemfématomok között jön létre. Az atomok egy vagy több közös elektronpárt használnak, így mindkét atom eléri a nemesgáz-szerkezetet.

Kattints a képre a nagyításhoz

Hogyan jön létre?

1. Hidrogénmolekula (H₂): mindkét hidrogénatomnak 1 elektronja van, és 2-re lenne szüksége. Egy közös elektronpárt alakítanak ki: H–H.
2. Víz (H₂O): az oxigénatomnak 6 vegyértékelektronja van, még 2 kellene neki. Két hidrogénatommal kapcsolódik, mindegyikkel egy közös elektronpárt használ: H–O–H.
3. Nitrogén (N₂): a nitrogénatomnak 5 vegyértékelektronja van, 3 kellene még. Három közös elektronpárt alakít ki, ez a háromszoros kötés: N≡N.

Egyszeres, kétszeres és háromszoros kötés

Annyiszoros a kötés, ahány közös elektronpárt használnak az atomok. Minél több a közös pár, annál erősebb és rövidebb a kötés.

Apoláris és poláris kovalens kötés

Az elektronegativitás azt mutatja meg, mennyire erősen vonzza egy atom a közös elektronpárt.

• Apoláris kötés: azonos atomok között (H–H, O=O, N≡N, Cl–Cl) jön létre. A közös elektronpár egyformán tartozik mindkét atomhoz.
• Poláris kötés: általában különböző atomok között (H–Cl, H–O) jön létre, mert az egyik atom elektronegatívabb. A közös elektronpár az elektronegatívabb atom felé tolódik, ezért az az atom kicsit negatív (δ⁻), a másik kicsit pozitív (δ⁺) lesz.

Tudtad? A szén-dioxid (CO₂) kötései polárisak, a molekula alakja viszont szimmetrikus (egyenes), ezért a molekula mégis apoláris. A vízmolekula V alakú, ezért poláris.

A kovalens anyagok tulajdonságai

• A legtöbb kovalens anyag molekulákból áll. Olvadás- és forráspontjuk alacsony, sok közülük gáz vagy folyadék (oxigén, szén-dioxid, víz).
• Általában nem vezetik az elektromos áramot (kivétel például a grafit).
• Kivétel az atomrács: a gyémánt (C) és a kvarc (SiO₂) atomjai kovalens kötésekkel egyetlen óriási rácsot alkotnak. Ezért nagyon kemények és magas az olvadáspontjuk.

Fémes kötés

A fémes kötés fématomok között jön létre. A fématomok vegyértékelektronjai leválnak az atomról, és szabadon mozognak a pozitív fémionok között.

Kattints a képre a nagyításhoz

Ezt úgy is szokták mondani, hogy a fémionok egy elektronfelhőbe (elektrongázba) ágyazódnak. Fémes kötés van például a vasban (Fe), a rézben (Cu), az alumíniumban (Al) és az aranyban (Au), valamint az ötvözetekben, például a sárgarézben és a bronzban.

Miért olyanok a fémek, amilyenek?

• Jól vezetik az elektromos áramot: a szabad elektronok áramolni tudnak.
• Jól vezetik a hőt.
• Fémesen csillognak.
• Nyújthatók, kalapálhatók: a fémionok rétegei elcsúszhatnak egymáson anélkül, hogy a kötés megszakadna.
• Az olvadáspontjuk nagyon eltérő: a higany szobahőmérsékleten folyékony, a volfrám csak 3400 °C körül olvad.

Hogyan döntsd el, milyen kötés van?

A legtöbb feladatban elég az, hogy milyen atomok kapcsolódnak össze:

Ez az alapszabály. A valóságban a határ nem éles: minél nagyobb az atomok elektronegativitás-különbsége, annál inkább ionos a kötés. A kis különbség poláris, a nulla különbség apoláris kovalens kötést jelent. Vannak összetettebb esetek is: például a nátrium-hidroxidban (NaOH) ionos és kovalens kötés is van. Ezekkel később találkozol.

Másodrendű (gyenge) kötések

Az elsőrendű kötések az atomokat kapcsolják össze (molekulában vagy kristályban). A másodrendű kötések a molekulák között hatnak. Sokkal gyengébbek, de a molekulákból álló anyagoknál ezek határozzák meg a forráspontot és a halmazállapotot.

Diszperziós kölcsönhatás

• Minden részecske között megvan. Az apoláris molekulák (H₂, N₂, O₂, CH₄) és a nemesgázok atomjai között ez az egyetlen kölcsönhatás.
• Az elektronok mozgása miatt a molekula egyik oldala pillanatnyilag kicsit negatívabb lesz. Ez a szomszéd molekulában is eltolódást okoz, és a két molekula gyengén vonzza egymást.
• Minél nagyobb a molekula, annál erősebb. Ezért a fluor és a klór gáz, a bróm folyadék, a jód pedig szilárd anyag.

Dipólus–dipólus kölcsönhatás

• Poláris molekulák között alakul ki (például HCl).
• Az egyik molekula kicsit pozitív vége a másik molekula kicsit negatív végét vonzza.

Hidrogénkötés

• Akkor jön létre, ha a hidrogén egy nagyon elektronegatív atomhoz (F, O vagy N) kapcsolódik, például H–O vagy H–N.
• A kicsit pozitív hidrogént egy másik molekula kicsit negatív F, O vagy N atomja vonzza.
• Ilyen van a vízben, az ammóniában és az alkoholokban.

Kattints a képre a nagyításhoz

Mit okoz a hidrogénkötés?

• A víz forráspontja 100 °C, a nagyobb tömegű kénhidrogéné (H₂S) viszont kb. −60 °C. A különbség oka a hidrogénkötés: a vízmolekulák között van, a kénhidrogén molekulái között nincs, ezért a vízmolekulákat sokkal nehezebb egymástól elválasztani.
• A jég sűrűsége kisebb a vízénél, ezért úszik a vízen. A hidrogénkötések a jégben nyitott, szabályos szerkezetet alakítanak ki.

Az erősségük sorrendje hasonló méretű molekuláknál: diszperziós < dipólus–dipólus < hidrogénkötés. Mindhárom jóval gyengébb az elsőrendű kötéseknél.

Összefoglaló táblázat

Gyakorold!

Oldd meg a feladatokat, aztán nézd meg a megoldásokat!

1. Milyen kötés van a nátrium-kloridban (NaCl)?
2. Hány közös elektronpár van a nitrogénmolekulában (N₂)?
3. Apoláris vagy poláris kovalens kötés van az oxigénmolekulában (O₂)?
4. Melyik anyagban van fémes kötés: réz, cukor vagy konyhasó?
5. Milyen kötések vannak a vízmolekulán belül, és milyen kötés van a vízmolekulák között?
6. Miért folyadék a víz szobahőmérsékleten, míg a nagyobb tömegű kénhidrogén (H₂S) gáz?
7. Mi szakad el a víz forralásakor: a molekulán belüli kötések vagy a molekulák közötti kötések?
8. Milyen ionok keletkeznek a magnézium és az oxigén atomjaiból, és mi a keletkező vegyület képlete?

Megoldások

Tanulj tovább!

További kémia leckék, amelyek kapcsolódnak a kötésekhez: