Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 17

Pierwiastek pozostaje pierwiastkiem – podczas reakcji chemicznych jądra atomowe nie zmieniają się, dzięki czemu zapewniają one w ten sposób tożsamość atomów. Średniowieczni alchemicy jeszcze o tym nie wiedzieli, dlatego próbowali na przykład przemieniać metale nieszlachetne w złoto i srebro, co było daremnym wysiłkiem. Dopiero procesy jądrowe, jakie zachodzą podczas rozpadu promieniotwórczego lub podczas reakcji syntezy jądrowej we wnętrzu gwiazd, mogą zmieniać jądra atomów, a tym samym pierwiastki.

Niemal nieograniczona zdolność pierwiastków chemicznych do tego, aby się ze sobą łączyć, opiera się z kolei na niestałości lekkich elektronów. Gdy tylko spotkają się dwa atomy, ich elektrony zaczynają się niespokojnie poruszać, tworząc w ten sposób wiązanie chemiczne – jest to podstawowy warunek dla powstawania cząsteczek, minerałów oraz ludzi.

W fluorowodorze atom fluoru i atom wodoru dzielą się parą elektronową (wiązanie kowalencyjne). Poszczególne atomy mają jednak różne wartości elektroujemności, co powoduje powstanie dodatnich i ujemnych ładunków cząstkowych (polarność)

Zdolność atomów do wiązania własnych elektronów i przyciągania obcych elektronów z ich pierwotnych miejsc określana jest jako elektroujemność. Jest ona w skomplikowany sposób powiązana z ładunkiem jądra atomu oraz z tym, jak daleko są od niego oddalone elektrony walencyjne. Te najbardziej położone na zewnątrz elektrony są również nazywane elektronami wiążącymi, bo to, jak się zachowują, decyduje o tym, czy utworzą się cząsteczki albo czy atomy w kracie z metalu lub w soli połączą się.

W cząsteczce metanu (CH₄) każdy atom wodoru jest połączony z centralnym atomem węgla przez parę elektronów (wiązanie kowalencyjne przedstawione schematycznie jako pręt)

Atomy w cząsteczkach tworzą wiązania kowalencyjne. Wiązania te powstają dzięki parom elektronów, stąd również pojęcie wiążącej pary elektronów. Wówczas oba elektrony poprzez efekt kwantowo-mechaniczny przyjmują wspólny stan: wolą być we dwójkę niż osobno. Dlatego elektrony, które nie znajdują partnera we własnym atomie, tak chętnie wiążą się z pojedynczymi elektronami innych atomów – nowa para należy wówczas do obu atomów. Aby mogło powstać wiązanie kowalencyjne, elektroujemność danych atomów nie może się za bardzo od siebie różnić – akceptowalne są małe różnice.

Im bardziej różni się od siebie elektroujemność poszczególnych atomów, tym silniej elektroujemny pierwiastek przyciąga do siebie wiążącą parę elektronową, zyskując przy tym naddatek ujemnego ładunku, podczas gdy atom partnerski traci ładunek ujemny. Dzięki temu zjawisku cząsteczki nie są równomiernymi zbiorami atomów, lecz zawierają często obszary o bardziej lub mniej silnym ładunku. Na przykład cząsteczki wody są małymi dipolami, w których silnie ujemny tlen ma oczywiście ładunek ujemny, natomiast oba atomy wodoru – ładunek dodatni. Dlatego też cząsteczki wody próbują tak się wobec siebie ustawić, żeby atomy wodoru znajdowały się jak najbliżej atomów tlenu sąsiednich cząsteczek oraz aby mogły z nimi utworzyć słabe wiązania wodorowe (tzw. mostki wodorowe).

Między polarnymi cząsteczkami wody mogą się wytworzyć wiązania wodorowe (linie przerywane). Sprawiają one, że woda w temperaturze pokojowej jest cieczą, a nie gazem

Jeśli wartości elektroujemności poszczególnych atomów bardzo się od siebie różnią, podczas walki o elektrony wyłaniają się konkretni zwycięzcy i przegrani. Atom o większym ładunku ujemnym zabiera innemu atomowi elektrony wiązania. Przez to zyskuje on ładunek ujemny, a tamten – dodatni. Atomy o takich ładunkach nazywane są jonami. A ponieważ przeciwne ładunki przyciągają się, jony te łączą się ze sobą bardzo mocno, korzystając jedynie z przyciągania między ładunkiem dodatnim a ujemnym. Tak zwane wiązanie jonowe jest bardzo stabilne. Jest to również powód, dla którego sole topią się dopiero w bardzo wysokiej temperaturze.

Chlorek sodu tworzy sieć jonową z dodatnich jonów sodu (kolor niebieski) i ujemnych jonów chlorkowych (kolor zielony). Dipolowe cząsteczki wody mogą otaczać te jony i uwalniać je z sieci

Elektroujemność odpowiada także za to, że metale zachowują się jak metale. Atomy metali nie potrafią tak dobrze zatrzymać elektronów lub sobie ich nawzajem zabierać. Dlatego też atomy w metalu dzielą się co prawda swoimi elektronami wiążącymi, ale one z kolei korzystają z ogromnej swobody: mogą poruszać się bez przeszkód po całej bryle metalu, natomiast dodatnio naładowane resztki atomu⁶ tworzą regularną sieć. Elektrony są tak mobilne, że mogą nawet wychodzić poza tę sieć. Dlatego też metale przewodzą prąd elektryczny.

W metalu dodatnie zręby atomowe są otoczone swobodnymi elektronami