úvod
Vzduch, ktorý dýchaš, je asi zo 78 % dusík. Rastliny ho potrebujú na stavbu bielkovín, a predsa ho zo vzduchu priamo využiť nevedia. Musia čakať, kým ho do pôdy dostanú baktérie, blesky alebo hnojivá. Prečo je dusík taký „lenivý“? Dva atómy dusíka sú v molekule N₂ spojené trojitou väzbou a tá patrí medzi najpevnejšie väzby, aké chemici poznajú. V tejto lekcii zistíš, že atómy sa môžu deliť o jeden, dva aj tri elektrónové páry, a čo z toho vyplýva pre vlastnosti látok.
teória
Spoločný elektrónový pár
Z lekcie Prečo sa atómy viažu: valenčné elektróny vieš, že dva atómy môžu vytvoriť spoločný elektrónový pár: každý prispeje jedným elektrónom a pár potom patrí obom. Takáto väzba sa volá kovalentná väzba. Vzniká najčastejšie medzi atómami nekovov, ktoré elektróny neradi odovzdávajú. Kovalentnými väzbami sú spojené atómy v molekulách vody, kyslíka, metánu aj cukru.
teória
Jednoduchá, dvojitá a trojitá väzba
Atóm sa s druhým atómom môže podeliť o viac párov naraz. Koľko párov to bude, závisí od toho, koľko elektrónov atómom do oktetu chýba:
- jednoduchá väzba: jeden spoločný pár, H−H alebo Cl−Cl. Vodíku aj chlóru chýba jeden elektrón,
- dvojitá väzba: dva spoločné páry, O=O. Kyslíku chýbajú dva elektróny, a tak sa dva atómy kyslíka podelia o dva páry,
- trojitá väzba: tri spoločné páry, N≡N. Dusíku chýbajú tri elektróny.
| molekula | vzorec | väzba | väzbové páry | voľné páry |
|---|---|---|---|---|
| vodík | H−H | jednoduchá | 1 | 0 |
| kyslík | O=O | dvojitá | 2 | 4 (2 na každom O) |
| dusík | N≡N | trojitá | 3 | 2 (1 na každom N) |
| oxid uhličitý | O=C=O | dve dvojité | 4 | 4 (2 na každom O) |
Pri oxide uhličitom potrebuje uhlík štyri väzby a každý kyslík dve. Usporiadanie O=C=O to splní. Usporiadanie O≡C−O nefunguje: na kyslíkoch by zostali nespárené elektróny.
vyskúšaj si
Lewisova stavebnica: násobné väzby
Nakresli elektrónový štruktúrny vzorec: kyslík O₂
0 / 0Ťukni na väzbu: jednoduchá, dvojitá, trojitá, bez väzby. Čísla pod atómami ukazujú, koľko elektrónov má atóm okolo seba.
- O (1.): väzbové páry 0, voľné páry 3, spolu 6 z 8
- O (2.): väzbové páry 0, voľné páry 3, spolu 6 z 8
Ťukni na väzbu viackrát: z jednoduchej sa stane dvojitá a potom trojitá. Voľné páry sa samy prepočítajú. Keď majú všetky atómy osem elektrónov, klikni na Skontrolovať. Po vyriešení uvidíš, aká dlhá a pevná je väzba.
Polárna a nepolárna väzba v skratke
Keď sú spojené dva rovnaké atómy, napríklad v H₂ alebo Cl₂, priťahujú spoločný pár rovnako silno a pár je presne v strede. Taká väzba je nepolárna. Keď sú spojené rôzne atómy, jeden z nich priťahuje elektróny silnejšie. Táto schopnosť sa volá elektronegativita. V molekule HCl priťahuje chlór spoločný pár viac ako vodík, na chlóre je preto čiastočný záporný náboj (δ−) a na vodíku čiastočný kladný (δ+). Taká väzba je polárna. Viac o elektronegativite a kalkulačku typu väzby nájdeš v lekcii Elektronegativita.
V sade pre SŠ pribudnú molekuly HCN, C₂H₄, C₂H₂ a CH₂O. Polarita väzby závisí od rozdielu elektronegativít ΔEN: pri rovnakých atómoch alebo pri rozdiele do 0,4 je väzba nepolárna (C−H má ΔEN 0,35), pri väčšom rozdiele polárna (O−H 1,24, H−Cl 0,96). Podrobnosti, hranice aj kalkulačka typu väzby sú v lekcii Elektronegativita.
Väzby σ a π
Prvý spoločný pár medzi dvoma atómami leží na ich spojnici. Taká väzba sa volá väzba σ (sigma). Ďalšie páry pri násobnej väzbe sa na spojnicu už nezmestia. Vznikajú bočným prekrytím orbitálov p nad a pod spojnicou jadier, to sú väzby π (pí). Ako sa orbitály prekrývajú, ukazuje lekcia Hybridizácia orbitálov.
- jednoduchá väzba: σ,
- dvojitá väzba: σ + π,
- trojitá väzba: σ + 2 π.
Väzba π je slabšia ako σ a jej elektróny sú ďalej od jadier, preto sa ľahšie trhá. Preto alkény a alkíny ochotne reagujú adíciou, ako opisuje lekcia Alkény a alkíny.
Dĺžka a energia väzby
Čím viac spoločných párov, tým silnejšie väzba priťahuje jadrá k sebe. Násobná väzba je preto kratšia a pevnejšia ako jednoduchá:
| väzba | poriadok | dĺžka | väzbová energia |
|---|---|---|---|
| C−C | 1 | 154 pm | 347 kJ/mol |
| C=C | 2 | 134 pm | 614 kJ/mol |
| C≡C | 3 | 120 pm | 839 kJ/mol |
| N≡N | 3 | 110 pm | 945 kJ/mol |
Všimni si, že dvojitá väzba C=C nie je dvakrát pevnejšia ako jednoduchá: 614 je menej ako 2 · 347 = 694. Väzba π prispieva menej ako väzba σ. Trojitá väzba v N₂ patrí s energiou 945 kJ/mol medzi najpevnejšie väzby vôbec. Preto je dusík taký nereaktívny, ako opisuje lekcia Dusík. Ako sa väzbové energie premietnu do tepla reakcie, ukazuje lekcia Energia pri reakciách.
Kovalentné väzby uvidíš aj v pokuse Chlorid amónny, kde sa stretnú plynný chlorovodík a amoniak. Ako kovalentné väzby určujú tvar molekuly, opisuje lekcia Tvary molekúl.
rozšírenie Prečo dusík zo vzduchu skoro nereaguje
Na začiatku 20. storočia hrozilo svetu, že nebude dosť hnojív na pestovanie potravín. Zásoby čílskeho liadku sa míňali a dusíka bol pritom plný vzduch. Nemecký chemik Fritz Haber v roku 1909 prišiel na to, ako dusík zo vzduchu prinútiť reagovať s vodíkom na amoniak: N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃. Carl Bosch potom postup previedol do továrne. Na rozštiepenie trojitej väzby N≡N treba vysokú teplotu okolo 450 °C, tlak asi 200-krát väčší ako atmosferický a katalyzátor zo železa. Haber za objav dostal Nobelovu cenu za chémiu za rok 1918, Bosch v roku 1931.
Haberov a Boschov postup sa používa dodnes a vyrába sa ním väčšina dusíkatých hnojív na svete. Odhaduje sa, že bez neho by sa nedalo uživiť asi polovicu dnešných ľudí. Na Slovensku vyrába amoniak z dusíka zo vzduchu podnik Duslo Šaľa. Príroda to pritom vie aj bez vysokej teploty: baktérie v hľúzkach bôbovitých rastlín, napríklad hrachu či ďateliny, štiepia trojitú väzbu pomocou enzýmu nitrogenázy pri bežnej teplote.
teória
Časté chyby
- „Pri vzniku väzby sa energia spotrebuje.“ Pri vzniku väzby sa energia uvoľní. Spotrebuje sa naopak pri jej rozštiepení, preto sú molekuly stálejšie ako oddelené atómy.
- „Dvojitá väzba je dvakrát pevnejšia ako jednoduchá.“ C=C má 614 kJ/mol, menej ako dvakrát 347. Druhá väzba v násobnej väzbe (π) je slabšia ako prvá (σ).
- „Kovalentná väzba je len medzi rovnakými atómami.“ Kovalentné väzby sú aj medzi rôznymi atómami, napríklad v H₂O, CO₂ či HCl. Vtedy sú väzby väčšinou polárne.
- „Polárna väzba znamená, že vznikli ióny.“ V polárnej väzbe zostáva spoločný pár, len je posunutý k jednému atómu. Atómy majú čiastočné náboje δ+ a δ−, nie celé náboje ako ióny.
- „Väzbu v CO₂ môžem nakresliť ako O≡C−O.“ Takto by na kyslíkoch zostali nespárené elektróny. Správne sú dve dvojité väzby O=C=O.
Ako sa tvorí iná, iónová väzba, zistíš v ďalšej lekcii Iónová väzba. Elektronegativitu Linus Pauling zaviedol v roku 1932 a za výskum chemickej väzby dostal v roku 1954 Nobelovu cenu za chémiu.