77 Efnatengi og sameindarúmfræði

7.2 Samgild tengi

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

lýsa myndun samgildra tengja
skilgreina rafneikvæðni og meta skautun samgildra tengja

Jónatengi myndast vegna rafstöðuaðdráttarafls milli andstætt hlaðinna jóna. Þessar jónir verða venjulega til við flutning rafeinda milli málma og málmleysingja. Önnur tegund efnatengis verður til vegna sameiginlegs aðdráttarafls frumeinda að sameiginlegu rafeindapari. Slík tengi kallast samgild tengi. Samgild tengi myndast milli tveggja frumeinda þegar báðar hafa svipaða tilhneigingu til að draga rafeindir til sín (þ.e. þegar báðar frumeindirnar hafa sömu eða mjög svipaða jónunarorku og rafeindafíkn). Til dæmis tengjast tvær vetnisfrumeindir með samgildu tengi og mynda H₂-sameind; hvor vetnisfrumeind í H₂-sameindinni hefur tvær rafeindir sem stöðga hana og gefur það hvorri frumeind sama fjölda gildisrafeinda og eðalgasið He.

Efnasambönd sem innihalda samgild tengi sýna aðra eðliseiginleika en jónaefni. Þar sem aðdráttarafl milli sameinda, sem eru rafhlutlausar, er veikara en milli rafhlaðinna jóna, hafa samgild efnasambönd almennt mun lægra bræðslu- og suðumark en jónaefni. Reyndar eru mörg samgild efnasambönd vökvar eða lofttegundir við stofuhita og í föstu formi eru þau venjulega mun mýkri en föst jónaefni. Þar að auki, þótt jónaefni séu góðir rafleiðarar þegar þau eru leyst upp í vatni, eru flest samgild efnasambönd óleysanleg í vatni. Þar sem þau eru rafhlutlaus leiða þau rafmagn illa í hvaða ástandi sem er.

Myndun samgildra tengja

Frumeindir málmleysingja mynda oft samgild tengi við aðrar frumeindir málmleysingja. Til dæmis inniheldur vetnissameindin, H₂, samgilt tengi milli tveggja vetnisfrumeinda sinna. Mynd 7.4 sýnir hvers vegna þetta tengi myndast. Ef byrjað er lengst til hægri sjáum við tvær aðskildar vetnisfrumeindir með ákveðna stöðuorku sem rauða línan sýnir. Eftir x-ásnum er fjarlægðin milli frumeindanna tveggja. Þegar frumeindirnar tvær nálgast hvor aðra (færast til vinstri eftir x-ásnum) byrja gildissvigrúm þeirra (1s) að skarast. Stöku rafeindirnar á hvorri vetnisfrumeind verka þá á báða frumeindakjarnana og fylla rýmið umhverfis báðar frumeindirnar. Sterkt aðdráttarafl hvorrar sameiginlegrar rafeindar að báðum kjörnum gerir kerfið stöðugt og stöðuorkan minnkar eftir því sem tengjalengdin minnkar. Ef frumeindirnar halda áfram að nálgast hvor aðra byrja jákvæðu hleðslurnar í kjörnunum tveimur að hrinda hvor annarri frá sér og stöðuorkan eykst. Tengjalengdin ræðst af þeirri fjarlægð þar sem stöðuorkan er minnst.

Línurit er sýnt þar sem x-ásinn er merktur „Fjarlægð milli kjarna (pm)“ en y-ásinn er merktur „Orka (J)“. Eitt gildi, „0“, er merkt miðja vegu upp y-ásinn og tvö gildi: „0“ lengst til vinstri og „0,74“ til vinstri, eru merkt á x-ásnum. Punkturinn „74“ er merktur „H–H fjarlægð“. Lína er teiknuð sem byrjar nálægt toppnum á y-ásnum og lengst til vinstri á x-ásnum og fellur bratt niður í punkt sem er merktur „mínus 7,24 sinnum 10 í veldinu mínus 19 J“ á y-ásnum og 74 á x-ásnum. Þessi lægsti punktur á línuritinu samsvarar teikningu af tveimur kúlum sem skarast talsvert. Línan rís síðan upp í núll á y-ásnum og jafnast út. Punkturinn þar sem hún nær næstum núlli samsvarar tveimur kúlum sem skarast lítillega. Línan við núll á y-ásnum samsvarar tveimur kúlum sem eru langt hvor frá annarri. — **Mynd 7.4.** Stöðuorka tveggja aðskilinna vetnisfrumeinda (hægra megin) minnkar þegar þær nálgast hvor aðra og stöku rafeindirnar á hvorri frumeind deilast til að mynda samgilt tengi. Tengjalengdin er sú fjarlægð milli kjarna þar sem stöðuorkan er minnst.

Mikilvægt er að muna að bæta þarf við orku til að rjúfa efnatengi (innvermið ferli), en við myndun efnatengja losnar orka (útvermið ferli). Í tilfelli H₂ er samgilda tengið mjög sterkt; mikilli orku, 436 kJ, þarf að bæta við til að rjúfa tengið í einu móli af vetnissameindum og fá frumeindirnar til að aðskiljast:

H_{2} (g) ⟶ 2 H (g) Δ H = 436 kJ

Aftur á móti losnar sama magn orku þegar eitt mól af H₂-sameindum myndast úr tveimur mólum af H frumeindum:

2 H (g) ⟶ H_{2} (g) Δ H = - 436 kJ

Hrein og skautuð samgild tengi

Ef frumeindirnar sem mynda samgilt tengi eru eins, eins og í H₂, Cl₂ og öðrum tvífrumeindasameindum, þá deilast rafeindirnar í tenginu jafnt á milli þeirra. Þetta kallast óskautað samgilt tengi. Rafeindir sem deilast í óskautuðum samgildum tengjum hafa jafnar líkur á að vera nálægt hvorum kjarna.

Í tilfelli Cl₂ byrjar hver frumeind með sjö gildisrafeindir og hvert Cl deilir einni rafeind með hinu og myndar eitt samgilt tengi:

Cl + Cl ⟶ {Cl}_{2}

Heildarfjöldi rafeinda umhverfis hverja einstaka frumeind samanstendur af sex óbindandi rafeindum og tveimur sameiginlegum (þ.e. bindandi) rafeindum, eða átta rafeindum alls. Þetta samsvarar fjölda gildisrafeinda í eðalgasinu argoni. Þar sem tengdu frumeindirnar eru eins hefur Cl₂ einnig óskautað samgilt tengi.

Þegar frumeindirnar sem tengjast með samgildu tengi eru ólíkar er rafeindunum deilt, en ekki lengur jafnt. Þess í stað dragast tengirafeindirnar meira að annarri frumeindinni en hinni, sem veldur hliðrun á rafeindaþéttleika í átt að þeirri frumeind. Þessi ójafna dreifing rafeinda kallast skautað samgilt tengi og einkennist af hluthleðslum, jákvæðri á annarri frumeindinni og neikvæðri á hinni. Frumeindin sem dregur rafeindirnar sterkar til sín fær neikvæðu hluthleðsluna og öfugt. Til dæmis dvelja rafeindirnar í H–Cl tengi vetnisklóríðsameindar lengur nálægt klórfrumeindinni en vetnisfrumeindinni. Þannig ber klórfrumeindin neikvæða hluthleðslu og vetnisfrumeindin jákvæða hluthleðslu í HCl-sameind. Mynd 7.5 sýnir dreifingu rafeinda í H–Cl tenginu. Taktu eftir að skyggða svæðið umhverfis Cl er mun stærra en umhverfis H. Berðu þetta saman við mynd 7.4, sem sýnir jafna dreifingu rafeinda í óskautaða H₂-tenginu.

Stundum táknum við jákvæða og neikvæða hluthleðslu á frumeindunum í skautuðu samgildu tengi með litla gríska bókstafnum „delta“, δ, ásamt plús- eða mínusmerki til að gefa til kynna hvort frumeindin hafi jákvæða hluthleðslu (δ+) eða neikvæða hluthleðslu (δ–). Þessi táknun er sýnd fyrir H–Cl-sameindina á mynd 7.5.

Tvær skýringarmyndir eru sýndar og merktar „a“ og „b“. Mynd a sýnir litla kúlu merkta „H“ og stærri kúlu merkta „Cl“ sem skarast lítillega. Báðar kúlurnar eru með lítinn punkt í miðjunni. Mynd b sýnir H tengt við Cl með eintengi. Tvískaut og plúsmerki eru skrifuð fyrir ofan H og tvískaut og mínusmerki eru skrifuð fyrir ofan Cl. Ör bendir í átt að Cl með plúsmerki á þeim enda sem er lengst frá örvaroddinum nálægt H. — **Mynd 7.5.** (a) Dreifing rafeindaþéttleika í HCl-sameindinni er ójöfn. Rafeindaþéttleikinn er meiri umhverfis klórkjarnann. Litlu, svörtu punktarnir sýna staðsetningu vetnis- og klórkjarnanna í sameindinni. (b) Táknin δ+ og δ– gefa til kynna skautun H–Cl tengisins.

Rafneikvæðni

Hvort efnatengi er óskautað eða skautað samgilt tengi ræðst af eiginleika tengdra frumeinda sem kallast rafneikvæðni. Rafneikvæðni er mælikvarði á tilhneigingu frumeindar til að draga rafeindir (eða rafeindaþéttleika) til sín. Hún ræður því hvernig sameiginlegu rafeindirnar dreifast milli frumeindanna tveggja í tenginu. Því sterkar sem frumeind dregur til sín rafeindirnar í tengjum sínum, því meiri er rafneikvæðni hennar. Rafeindir í skautuðu samgildu tengi hliðrast í átt að rafneikvæðari frumeindinni. Þannig er rafneikvæðari frumeindin sú sem ber neikvæða hluthleðslu. Því meiri sem munurinn á rafneikvæðni er, því skautaðri verður rafeindadreifingin og því stærri verða hluthleðslur frumeindanna.

Mynd 7.6 sýnir gildi rafneikvæðni frumefnanna eins og einn frægasti efnafræðingur tuttugustu aldar setti þau fram: Linus Pauling (mynd 7.7). Almennt eykst rafneikvæðni frá vinstri til hægri yfir lotu í lotukerfinu og minnkar niður flokk. Þannig hafa málmleysingjarnir, sem eru efst til hægri, tilhneigingu til að hafa hæstu rafneikvæðnina, og er flúor rafneikvæðasta frumefni allra (EN = 4,0). Málmar eru almennt minna rafneikvæð frumefni og málmarnir í flokki 1 hafa lægstu rafneikvæðnina. Athugið að eðalgösum er sleppt á þessari mynd vegna þess að þessar frumeindir deila venjulega ekki rafeindum með öðrum frumeindum, þar sem þær hafa fullt gildishvolf. (Þó að efnasambönd eðalgasa eins og XeO₂ séu vissulega til, geta þau aðeins myndast við öfgakenndar aðstæður og falla því ekki vel að almennu líkani rafneikvæðni.)

Hluti lotukerfisins er sýndur. Ör sem vísar niður er teiknuð vinstra megin við töfluna og merkt „Minnkandi rafneikvæðni“, en ör sem vísar til hægri er teiknuð fyrir ofan töfluna og merkt „Vaxandi rafneikvæðni“. Rafneikvæðni er gefin upp fyrir næstum öll frumefnin. — **Mynd 7.6.** Gildi rafneikvæðni sem Pauling leiddi út fylgja fyrirsjáanlegri lotubundinni tilhneigingu, þar sem hærri rafneikvæðni er efst til hægri í lotukerfinu.

Rafneikvæðni og rafeindafíkn

Við verðum að gæta þess að rugla ekki saman rafneikvæðni og rafeindafíkn. Rafeindafíkn frumefnis er mælanlegur eðliseiginleiki, nánar tiltekið sú orka sem losnar eða binst þegar einangruð frumeind í gasfasa tekur til sín rafeind, mæld í kJ/mól. Rafneikvæðni lýsir hins vegar því hversu fast frumeind dregur til sín rafeindir í efnatengi. Hún er víddarlaus stærð sem er reiknuð en ekki mæld. Pauling leiddi út fyrstu gildi rafneikvæðni með því að bera saman þá orku sem þarf til að rjúfa mismunandi tegundir efnatengja. Hann valdi handahófskenndan, hlutfallslegan kvarða sem spannar frá 0 upp í 4.

Svipmynd af efnafræðingi

Linus Pauling

Linus Pauling, sem sýndur er á mynd 7.7, er eini maðurinn sem hefur hlotið tvenn óskipt (einstaklingsbundin) Nóbelsverðlaun: önnur í efnafræði árið 1954 fyrir störf sín að eðli efnatengja og hin friðarverðlaunin árið 1962 fyrir andstöðu sína við gereyðingarvopn. Hann þróaði margar af þeim kenningum og hugtökum sem eru grundvöllur núverandi skilnings okkar á efnafræði, þar á meðal rafneikvæðni og rafeindaómunargerðir.

Mynd 7.7. Linus Pauling (1901–1994) lagði margt mikilvægt af mörkum til efnafræðinnar. Hann var einnig áberandi aðgerðasinni og vakti athygli á málefnum sem tengdust heilsu og kjarnorkuvopnum.

Pauling lagði einnig mikið af mörkum til margra annarra fræðigreina en efnafræði. Rannsóknir hans á sigðkornablóðleysi leiddu í ljós orsök sjúkdómsins — afbrigðilegt prótein í blóðinu sem erfist — og ruddu brautina fyrir sameindaerfðafræði. Störf hans skiptu einnig sköpum við að draga úr tilraunum með kjarnorkuvopn; hann sýndi fram á að geislavirkt ryk frá kjarnorkutilraunum stefndi lýðheilsu í hættu.

Rafneikvæðni og tegund efnatengis

Algildi rafneikvæðnimunar (ΔEN) tveggja tengdra frumeinda gefur gróft mat á þeirri skautun sem búast má við í efnatenginu og þar með tegund þess. Þegar mismunurinn er mjög lítill eða núll er efnatengið samgilt og óskautað. Þegar hann er mikill er efnatengið skautað samgilt eða jónatengi. Algildi rafneikvæðnimunar milli frumeindanna í tengjunum H–H, H–Cl og Na–Cl eru 0 (óskautað), 0,9 (skautað samgilt) og 2,1 (jónatengi). Deiling rafeinda milli frumeinda spannar allt frá því að vera fullkomlega jöfn (óskautað samgilt tengi) yfir í að vera engin (jónatengi). Mynd 7.8 sýnir sambandið milli rafneikvæðnimunar og tegundar efnatengis.

Tvö flæðirit og tafla eru sýnd. Fyrra flæðiritið er merkt „Rafneikvæðnimismunur milli tengdra frumeinda“. Fyrir neðan þessa merkingu eru þrjár ávalar textablöðrur, tengdar með ör sem vísar niður, merktar „Núll“, „Miðlungs“ og „Mikill“. Seinna flæðiritið er merkt „Tegund efnatengis“. Fyrir neðan þessa merkingu eru þrjár ávalar textablöðrur, tengdar með ör sem vísar niður, merktar „Hreint samgilt“, „Skautað samgilt“ og „Jónískt“. Tvíhöfða ör er teiknuð lóðrétt hægra megin við flæðiritin og merkt „Samgilt eðli minnkar; jónískt eðli eykst“. Taflan samanstendur af tveimur dálkum og fjórum röðum. Fyrirsagnarlínan er merkt „Tegund efnatengis“ og „Rafneikvæðnimismunur“. Vinstri dálkurinn inniheldur orðasamböndin „Hreint samgilt“, „Skautað samgilt“ og „Jónískt“, en hægri dálkurinn inniheldur gildin „minna en 0,4”, „milli 0,4 og 1,8” og „meira en 1,8”. — **Mynd 7.8.** Eftir því sem rafneikvæðnimismunur milli tveggja frumeinda eykst verður efnatengið meira jónatengi.

Gróf nálgun á rafneikvæðnimismun sem tengist samgildum, skautuðum samgildum og jónatengjum er sýnd á mynd 7.8. Þessi tafla er þó aðeins almenn viðmiðun og frá henni eru margar undantekningar. Til dæmis hafa H- og F-frumeindirnar í HF rafneikvæðnimuninn 1,9 og N- og H-frumeindirnar í NH₃ mismuninn 0,9, en samt mynda bæði þessi efnasambönd tengi sem teljast skautuð samgild. Sömuleiðis hafa Na- og Cl-frumeindirnar í NaCl rafneikvæðnimuninn 2,1 og Mn- og I-frumeindirnar í MnI₂ mismuninn 1,0, en samt mynda bæði þessi efni jónaefni.

Besta viðmiðið um samgilt eðli eða jónaeðli efnatengis er að skoða tegundir þeirra frumeinda sem eiga í hlut og afstæða stöðu þeirra í lotukerfinu. Tengi milli tveggja málmleysingja eru almennt samgild; tengi milli málms og málmleysingja eru oft jónatengi.

Sum efnasambönd innihalda bæði samgild tengi og jónatengi. Frumeindum í fjölatóma jónum, eins og OH⁻, ${N O_{3}}^{-}$ og ${N H_{4}}^{+},$ er haldið saman með skautuðum samgildum tengjum. Hins vegar mynda þessar fjölatóma jónir jónaefni með því að sameinast jónum með gagnstæða hleðslu. Til dæmis inniheldur kalíumnítrat, KNO₃, K⁺-katjónina og fjölatóma anjónina ${N O_{3}}^{-} .$ Þannig eru tengin í kalíumnítrati jónatengi að hluta og stafa af rafstöðuaðdráttarafli milli jónanna K⁺ og ${N O_{3}}^{-},$ en jafnframt samgild milli köfnunarefnis- og súrefnisfrumeindanna í ${N O_{3}}^{-} .$

Dæmi 7.3

Rafneikvæðni og skautun efnatengja

Skautun efnatengja gegnir mikilvægu hlutverki við að ákvarða byggingu próteina. Með því að nota gildi rafneikvæðni á mynd 7.6, skaltu raða eftirfarandi samgildum tengjum — sem öll finnast almennt í amínósýrum — eftir vaxandi skautun. Merktu síðan jákvæðu og neikvæðu hluthleðslurnar á frumeindunum með táknunum δ+ og δ–:

C–H, C–N, C–O, N–H, O–H, S–H
Skautun þessara tengja eykst eftir því sem algildi rafneikvæðnimunar stækkar. Frumeindin sem merkt er δ– er sú rafneikvæðari af þeim tveimur. Tafla 7.1 sýnir þessi tengi raðað eftir vaxandi skautun.

Prófaðu þig

Sílikon eru fjölliðusambönd sem innihalda meðal annars eftirfarandi tegundir samgildra tengja: Si–O, Si–C, C–H og C–C. Með því að nota gildi rafneikvæðni á mynd 7.6, raðaðu tengjunum eftir vaxandi skautun og merktu jákvæðu og neikvæðu hluthleðslurnar á frumeindunum með táknunum δ+ og δ–.