Elmélet · Általános kémia · Kémiai kötések

A kémiai kötések

Az atomok ritkán maradnak egyedül: összekapcsolódnak, és ezzel épül fel minden anyag körülöttünk. Ebben a fejezetben megnézzük, milyen erők tartják össze az atomokat és a molekulákat — az erős elsőrendű kötésektől a gyengébb, de annál fontosabb másodrendű kölcsönhatásokig.

kovalens kötés ionkötés fémes kötés σ- és π-kötés térszerkezet hidrogénkötés
01

A kötések csoportosítása

Az atomok azért kapcsolódnak össze, hogy stabilabb, kisebb energiájú állapotba kerüljenek — jellemzően a nemesgázszerkezet felé törekedve. A kötéseket erősségük és aszerint csoportosítjuk, hogy mit kapcsolnak össze:

A kémiai kötések áttekintése
Kémiai kötések Elsőrendű kötések erős · 80–850 kJ/mol kovalens ionos fémes Másodrendű kötések gyenge · 0,8–40 kJ/mol diszperziós kölcsönhatás dipólus- dipólus hidrogén- kötés Az elsőrendű kötések atomokat/ionokat kapcsolnak össze (a molekulákon, kristályokon belül), a másodrendűek pedig kész molekulák között hatnak.
A kötési energiák jól mutatják az erősségbeli különbséget: az elsőrendű kötések nagyságrendekkel erősebbek.
🔑
A lényeg egy mondatban. Az elsőrendű kötés azt dönti el, milyen anyag jön létre (milyen molekula vagy kristály); a másodrendű kötés pedig azt, hogy ez az anyag hogyan viselkedik (pl. mi a forráspontja, oldódik-e vízben).

02

Kötéstípus az elektronegativitásból

Két atom között a kötés típusát az elektronegativitásuk dönti el. Két mérőszámot nézünk: a két érték különbségét (ΔEN) és összegét (ΣEN).

KötésΔEN (különbség)ΣEN (összeg)Szemléletesen
Ionosnagy—az egyik atom „elveszi" a másik elektronját → ionok
Kovalenskicsinagyaz atomok közösen, erősen birtokolják az elektronpárt
Fémeskicsikicsiminden atom gyengén köti az elektronokat → közös „elektrontenger"

Próbáld ki: válassz két elemet, és nézd meg, milyen kötés alakul ki közöttük!

+
ΔEN különbség
–
ΣEN összeg
–
Válassz két atomot…és megjelenik a várható kötéstípus.
⚠️
Ez egy közelítő iránytű. A valós határok nem éles vonalak — sok kötés „átmeneti" jellegű. A pontos átmenetekről (mikor válik egy ionos kötés kovalens jellegűvé és fordítva) a 7. fejezetben lesz szó.

03

A kovalens kötés

Kovalens kötés

Közös elektronpárral kialakított elsőrendű kötés. Akkor jön létre, ha a kapcsolódó atomok elektronegativitása azonos vagy csak kismértékben különböző (jellemzően nemfématomok között).

Hogyan alakul ki?

Kovalens vegyérték

Az atom által kialakított kovalens kötések száma. Pl. a hidrogén egyvegyértékű, az oxigén kétvegyértékű, a nitrogén háromvegyértékű, a szén négyvegyértékű.

σ- (szigma-) és π- (pí-) kötés

Az atompályák kétféleképpen fedhetnek át — ez adja a két kötéstípust:

A σ- és a π-kötés kialakulása
σ-kötés tengely menti („szemtől szembe") átfedés a kötő elektronok a két mag közti tengelyen vannak a magok foroghatnak e tengely körül π-kötés oldalirányú („párhuzamos") átfedés az elektronok a tengely fölött és alatt — van „csomósík" a magok itt már nem foroghatnak
Az egyszeres kötés mindig egy σ-kötés. A többszörös kötésben az első mindig σ-, a többi π-kötés.

Egyszeres, kétszeres és háromszoros kötés

Aszerint, hogy hány közös elektronpár köti össze a két atomot:

Egy, két és három kötés — H₂, O₂, N₂
H–H H H egyszeres 1 σ 74 pm · 432 kJ/mol O=O O O kétszeres 1 σ + 1 π 121 pm · 494 kJ/mol N≡N N N háromszoros 1 σ + 2 π 110 pm · 942 kJ/mol
Minél több a kötés, annál rövidebb a kötéstávolság és annál erősebb (nagyobb kötési energiájú) a kötés.
Kötési energia és kötéstávolság

A kötési energia az az energia (kJ/mol), amely 1 mol gáz halmazállapotú molekulában a kötés felszakításához kell. A kötéstávolság (kötéshossz) a kötésben lévő atommagok közti távolság. A többszörös kötés rövidebb és erősebb, mint az egyszeres.

Kötéspolaritás: poláris és apoláris kovalens kötés

A közös elektronpár nem mindig oszlik el egyenlően a két atom között — ezt az elektronegativitás-különbség dönti el:

Apoláris és poláris kovalens kötés
Apoláris — H₂ ΔEN = 0 H H a kötő elektronpár középen, egyenlően megosztva Poláris — HCl ΔEN ≠ 0 H Cl δ+ δ− az elektronpár a nagyobb EN-ű Cl felé tolódik
Apoláris a kötés, ha a két atom elektronegativitás-különbsége nulla (azonos atomok). Minden más esetben a kötés poláris: részleges töltések (δ+/δ−) alakulnak ki.

Datív (koordinatív) kötés

A legtöbb kovalens kötésnél mindkét atom egy-egy elektronnal járul hozzá a közös párhoz. A datív kötésnél azonban a kötő elektronpárt az egyik atom adja teljes egészében (a saját nemkötő elektronpárjából). Kialakulása után semmiben sem különbözik a többi kovalens kötéstől.

NH3 + H+  →  NH4+   (a nitrogén nemkötő elektronpárja köti meg a H⁺-t — ammóniumion)
H2O + H+  →  H3O+   (az oxigén nemkötő párja köti a H⁺-t — oxóniumion)

Datív kötés van a szén-monoxid molekulában és az összetett ionokban (pl. NH₄⁺, H₃O⁺) is.


04

Az ionkötés

Ionkötés

Az ellentétes töltésű ionok közötti elektrosztatikus vonzóerő. Akkor alakul ki, ha a kapcsolódó atomok elektronegativitás-különbsége nagy (jellemzően fém + nemfém között).

Példa a nátrium-klorid (konyhasó). A nátrium leadja egy elektronját, a klór felveszi azt — így egyszeresen pozitív Na⁺- és egyszeresen negatív Cl⁻-ionok keletkeznek, amelyek vonzzák egymást:

A nátrium-klorid: az ionok kialakulása és a kristályrács
Az ionok kialakulása Na → Na⁺ + e⁻ Cl → Cl⁻ a kation kisebb, az anion nagyobb lett a kiindulási atomnál Az ionrács (NaCl) Na⁺ Cl⁻ Na⁺ Cl⁻ Cl⁻ Na⁺ Cl⁻ Na⁺ Na⁺ Cl⁻ Na⁺ Cl⁻
A szilárd ionvegyület ionrácsot alkot: minden iont ellentétes töltésű ionok vesznek körül. Nincsenek külön „molekulák" — a rács egésze tartja össze a kristályt.

Az ionvegyületek tapasztalati képlete

Tapasztalati képlet

A vegyület sztöchiometriai összetételét adja meg: az elemek egymás mellé írt vegyjelét tartalmazza, az alsó indexek pedig az összetevők legegyszerűbb arányát fejezik ki. (Az ionvegyületeknél nincs „molekulaképlet", mert nincsenek különálló molekulák.)

IonokbólTapasztalati képletNév
Na⁺ + Cl⁻NaClnátrium-klorid
2 Na⁺ + S²⁻Na₂Snátrium-szulfid
Al³⁺ + 3 Cl⁻AlCl₃alumínium-klorid
2 Al³⁺ + 3 O²⁻Al₂O₃alumínium-oxid
Cu²⁺ + SO₄²⁻CuSO₄réz(II)-szulfát
💡
A képletben az ionok töltései kiegyenlítik egymást (a vegyület kifelé semleges). Ezért kell pl. 2 alumíniumion 3 oxidionra: 2·(+3) = 3·(−2) = 6.

05

A fémes kötés

Fémes kötés

A fémes atomtörzsek és a köztük szabadon mozgó, delokalizált elektronfelhő közötti vonzás. Akkor alakul ki, ha az elektronegativitás-különbség és az összeg is kicsi (fématomok között).

Hogyan alakul ki?

A fémes kötés — „elektrontenger" (animált)
+ + + + + + + + + + + +
A kék pontok a delokalizált elektronok: nem tartoznak egyetlen atomhoz sem, hanem szabadon járják be a pozitív törzsek közti teret. (Az animáció a mozgásukat szemlélteti.)

A fémek tulajdonságai — a kötés alapján

TulajdonságMagyarázat a fémes kötésből
Elektromos vezetésa szabadon elmozduló, töltéssel rendelkező delokalizált elektronok viszik az áramot
Hővezetésa delokalizált elektronok gyors elmozdulása szállítja a hőt
Jó megmunkálhatóság (nyújthatóság, alakíthatóság)az atomtörzsek erő hatására elcsúsztathatók egymáson — átrendeződés után is ugyanolyan a környezetük, a kötés nem szakad fel

A delokalizált kötés máshol is

Delokalizált (több atomra „szétkent") elektronrendszer nemcsak a fémekben van. Ilyen az aromás vegyületek (pl. benzol) és a grafit elektronrendszere, valamint az összetett ionok (pl. szulfát-, nitrátion) is — ezekben a π-elektronok több atomhoz tartoznak egyszerre.


06

Ötvözetek

Ötvözet

Olyan fémes anyag, amely legalább két kémiai elemből áll, és ezek közül legalább az egyik fém. Általában javítja a tiszta fém tulajdonságait. Két vagy több fém megolvasztásával és összekeverésével készül.

Olvadás: nem egy pont, hanem tartomány

A tiszta fémmel ellentétben az ötvözetnek általában nincs egyetlen olvadáspontja, hanem olvadási tartománya van (szilárd és folyékony fázisok keveréke):

szolidusz (az olvadás megkezdődése)  →  likvidusz (az olvadás befejeződése)

Csoportosítás a szerkezet szerint

Helyettesítéses és beékelődéses ötvözet
Szubsztitúciós (helyettesítéses) hasonló méretű atomok — egymás helyére ülnek Intersticiós (beékelődéses) egy sokkal kisebb atom a rács hézagaiban
A szerkezet attól függ, mekkorák egymáshoz képest az alkotó atomok.

További felosztás


07

Átmeneti kötések

A három alaptípus között nincs éles határ. Sok kötés átmeneti jellegű: részben ilyen, részben olyan. Két irány a leggyakoribb.

Az ionos kötés kovalens jellegűvé válik

A kovalens kötés ionos jellegűvé válik

🔑
A szabályok egyben (ha ismerjük az atomok elektronegativitását):
  • Ionos kötés, ha az elektronegativitások különbsége nagy.
  • Kovalens kötés, ha a különbség kicsi, az összeg viszont nagy.
  • Fémes kötés, ha a különbség és az összeg egyaránt kicsi.

Ezt próbálhattad ki a 2. fejezet interaktív eszközével.


08

A molekulák térszerkezete

A molekula nem lapos rajz: az atomok a térben rendeződnek el. Az alakot a központi atom körüli elektronpárok határozzák meg.

Válassz egy molekulát, és nézd meg az alakját, a kötésszögét és a polaritását!

Molekulapolaritás

Egy molekula akkor poláris, ha a poláris kötések részleges töltései nem oltják ki egymást. Ha a molekula szimmetrikus, az ellentétes irányú kötéspolaritások kiolthatják egymást — ekkor a molekula apoláris, hiába vannak benne poláris kötések.

💡
A CO₂ kötései polárisak, de a molekula lineáris és szimmetrikus, ezért a két ellentétes irányú hatás kioltja egymást → a molekula apoláris. A víz viszont V-alakú: a két O–H kötés polaritása nem oltja ki egymást → a molekula poláris. Ez a különbség dönti el, milyen másodrendű kötésekre képes egy anyag.

09

Másodrendű kötések

A másodrendű kötések kész molekulák között hatnak. Sokkal gyengébbek az elsőrendűeknél, mégis ezek határozzák meg az anyag sok fizikai tulajdonságát (olvadás- és forráspont, oldhatóság). Háromféle van, a gyengébbtől az erősebb felé.

Diszperziós kölcsönhatás

A diszperziós kölcsönhatás — pillanatnyi dipólusok (animált)
δ+ δ− δ+ δ− a pillanatnyi töltések vonzzák egymást
Az elektronfelhő folyamatosan „hullámzik" — a keletkező pillanatnyi dipólusok kölcsönösen vonzzák egymást.

Dipólus-dipólus kölcsönhatás

Dipólus-dipólus kölcsönhatás
δ+ δ− δ+ δ−
Az állandó dipólusok rendeződnek: a δ+ a szomszéd δ− felé.

Hidrogénkötés

Hidrogénkötés

A legerősebb másodrendű kötés. Akkor jön létre, ha egy nagy elektronegativitású, kisméretű atomhoz (fluor, oxigén, nitrogén) kapcsolódó hidrogénatom egy másik molekula nagy elektronegativitású, nemkötő elektronpárral rendelkező atomjához kapcsolódik. Lényegében a hidrogénatom „köti össze" a két molekulát.

A hidrogénkötés a vízmolekulák között
O H H OOOO minden vízmolekula négy másikkal léphet hidrogénkötésbe (a jég tetraéderes szerkezete)
A pink szaggatott vonalak a hidrogénkötések. Az oxigén két nemkötő elektronpárja két szomszéd H-jét köti, a két saját H pedig két másik molekula O-jához kapcsolódik.

A hidrogénkötés nagy szerepet játszik a földi élet kialakulásában:

A kötések erősségének összehasonlítása

Elsőrendű kötés
80–850 kJ/mol
Hidrogénkötés
8–40 kJ/mol
Diszperziós / dipólus-dipólus
0,8–12 kJ/mol
KötéstípusKötési energia (kJ/mol)
Elsőrendű kötés80–850
Hidrogénkötés8–40
Másodrendű: diszperziós és dipólus-dipólus0,8–12

A sávok hossza a felső határértékek arányát szemlélteti — jól látszik, mennyivel erősebb az elsőrendű kötés.


10

Összefoglalás

A három elsőrendű kötés egyetlen táblázatban, az elektronegativitás tükrében:

KötésMit köt össze?Mikor (EN)?JellemzőPélda
Kovalens nemfématomokat, közös elektronpárral ΔEN kicsi, ΣEN nagy kötő/nemkötő párok; σ- és π-kötés; lehet poláris/apoláris H₂, O₂, H₂O, CO₂
Ionos ellentétes töltésű ionokat ΔEN nagy ionrács; tapasztalati képlet; nincs különálló molekula NaCl, Al₂O₃
Fémes fématomtörzseket + elektrontengert ΔEN és ΣEN is kicsi delokalizált elektronok; vezeti az áramot, jól alakítható Cu, Fe, ötvözetek

És a másodrendű kötések, erősség szerint növekvő sorrendben:

KölcsönhatásMely molekulák között?Példa
Diszperziósapoláris molekulák (pillanatnyi dipólusok)I₂, paraffinok
Dipólus-dipóluspoláris molekulák (állandó dipólusok)HCl
HidrogénkötésF–H, O–H, N–H csoportot tartalmazó molekulákH₂O, fehérjék, DNS
🎯
Vizsgafogás. Ha egy anyag tulajdonságát kell megmagyaráznod (pl. miért magas a forráspontja, miért oldódik vízben), előbb az elsőrendű kötésből állapítsd meg, milyen részecskék vannak (molekula? ion? fémrács?), majd a molekulapolaritásból és a másodrendű kötésekből vezesd le a viselkedést.