KEEMILINE SIDE JA AINE EHITUS Martin Saar 2007

Keemiline side Üksikud aatomid on ebapüsivad “Keemilise sideme probleem on kesksel kohal kogu keemias.” L. Pauling Üksikud aatomid on ebapüsivad  neil on kõrge energia... Seepärast liituvad nad teiste aineosakestega, minnes üle püsivamasse olekusse ehk madalama energiaga olekusse... Üksikute aatomite moodustumisel sideme katkemisel aga minnakse üle ebapüsivamasse kõrgema energiaga olekusse...

Keemiline side Sideme moodustumisel vabaneb energiat. Ühinemisreaktsioonid: pigem eksotermilised ΔH<0 Sideme lõhkumiseks kulub energiat. Lagunemisreaktsioonid: pigem endotermilised ΔH>0 A + B A + B ΔH<0 ΔH>0 AB AB

Keemilise sideme süsteemsus Aatomite või ioonide vahel molekulis või kristallis Kovalentne – üldiselt 2 või enam mittemetalli Iooniline – ühendis metall ja mittemetall(id) Metalliline – metallides Molekulide vahel - vesinikside

Keemilise sideme liigid: KOVALENTNE SIDE Levinuim side. Moodustub ühise elektronpaari abil. kumbki aatom annab ühe elektroni elektronpaari, mis jääb tiirlema mõlema aatomi tuuma ümber.

Keemilise sideme liigid: KOVALENTNE SIDE Peamiselt mittemetalliliste elementide korral: Kaks sama mittemetalli (nt H-H ehk H2) – kovalentne mittepolaarne side. Kaks erineva elektronegatiivsusega mittemetalli (nt H-Cl ehk HCl) – polaarne side. Üks aatom tõmbab ühist elektronpaari tugevamini enda poole. Kokkuleppeliselt on C-H side sisuliselt mittepol. (... või ka nõrk metall + nõrk mittemetall (Al2S3), kus elektronide üleminekut ei toimu, sest kumbki pole piisavalt vägev.)

fluori molekul 2 fluori aatomit süsinikdioksiidi molekul 2 hapniku aatomit süsiniku aatom 4 fluori aatomit süsiniku aatom süsiniktetra-fluoriid molekul

Keemilise sideme liigid: IOONILINE SIDE Justkui kovalentse sideme piirjuht – puhast ioonilist sidet tegelikult pole... Kui aatomite elektronegatiivsused on väga erinevad (tegemist on tugeva metalli ja tugeva mittemetalliga),  toimub elektronide üleminek ja tekivad ioonid. Nende ioonide vahel mõjuvad elektrilised tõmbejõud, mis ongi ioonilise sideme alus.

Keemilise sideme liigid: IOONILINE SIDE Aktiivne metall + aktiivne mittemetall (nt NaCl, KF) Elektronegatiivsus on elemendi aatomite võime tõmmata enda poole ühist elektronpaari. Kui on tegemist nõrga metall ja/või nõrga mittemetalliga (nt CaC2, Al2S3), siis elektronide üleminekut ei toimu, sest kumbki pole piisavalt vägev. Vaadeldav side on ikkagi valdavalt kovalentne.

Na aatom Cl aatom Cl- ioon Na+ ioon

Na+ Cl- katioon anioon Na aatom Cl aatom NaCl - naatriumkloriid

Keemiline side: METALLILINE SIDE Metalli aatomid paiknevad üksteisele nii lähedal, et väliskihtide orbitaalid osaliselt kattuvad. Seega hakkavad väliskihi elektronid liikuma kiiresti ühe tuuma mõjualast teise juurde ja nii üle kogu kristalli – elektrongaas.

Keemiline side: VESINIKSIDE Esineb vesinikku sisaldavate molekulide vahel, kus vesinik on ühendis fluori, hapniku või lämmastikuga (nt HF, H2O, NH3) ning tal on seetõttu positiivne osalaeng. Positiivse osalaenguga vesiniku aatom seotakse elektrostaatiliselt järgmise molekuli elektronegatiivsema (F, O, N) aatomiga, millel on negatiivne osalaeng ja põhimõtteliselt vaba elektronpaar

vesinikside

KEEMILINE SIDE JA AINE EHITUS metall (lihtaine)  metalliline side  metallivõre akt. metall + akt. mittemetall  iooniline side  ioonvõre peamiselt üks või enam mittemetalli  kovalentne side   aatomvõre (hiigelstruktuur) või  molekulvõre (molekulaarsed ained)

Kristallivõre tüübid: metallvõre Sõlmpunktides asuvad metalli katioonid, mida hoiavad koos vabalt ja korrapäratult liikuvad elektronid ehk elektrongaas - metalliline side. Sideme iseloomu (elektrongaas) tõttu juhivad elektrit ja soojust, on plastilised ja läikivad. Lihtained: Na, Zn, Fe, Al

POSITIIV-SED IOONID ELEKTRON-GAAS METALLIVÕRE

Kristallivõre tüübid: ioonvõre Kristallivõre sõlmpunktides on laenguga osakesed ioonid, nende vahel mõjub iooniline side. Ainetel suhteliselt kõrge sulamistemperatuur, ained haprad, lahustuvad sageli vees ja teistes polaarsetes lahustes Liitained metallist ja mittemetalli(de)st: CsCl, KF, BaO, NaOH

IOONVÕRE

Kristallivõre tüübid: aatomvõre Kristallivõre sõlmpunktides aatomid, mida seob kovalentne side (molekule pole!) Kõrge sulamistemperatuur, suur kõvadus, vees praktiliselt lahustumatud ja elektrit ei juhi. Lihtained: C (teemant), Si, B – indeksita mittemetallid! Mõningad kovalentse sidemega liitained mittemetallidest: SiO2, SiC, BC + Kovalentse sidemega liitained metall + mittemetall: ZnS, MgO)

AATOMVÕRE

Kristallivõre tüübid: molekulvõre Kristallivõre sõlmpunktides molekulid, mille vahel mõjuvad suhteliselt nõrgad molekulidevahelised tõmbejõud. (Molekulide sees aatomite vahel on kovalentsed sidemed.) Madal või mõõdukas sulamistemperatuur, aurustuvad kergest (iseloomulik lõhn), pehmed. Vees lahustuvad vähe või praktiliselt mitte. Lihtained: H2, O2, N2, VIIA, S8 - indeksiga mittemetallid Enamik liitaineid kovalentsete sidemetega seotud mittemetallide aatomitest: CO2, NH3, H2O, enamik orgaanilisi ühendeid

MOLEKULVÕRE

KOKKUVÕTE metall metall + mittemetall + (lihtaine) mittemetall mittemetall ... metalliline side iooniline side kovalentne side metallivõre ioonvõre aatomvõre molekulvõre Na, Fe, Zn NaCl, CaF2 Si,C,B H2, O2, N2, S8, VIIA SiO2, SiC, BC HCl, CO2, NH3, C12H22O11 ~aatomid ioonid aatomid molekulid MITTEMOLEKULAARSED MOLEKULAARSED

KORDAVALT LIHTAINED metallid (Fe...) – metalliline side – metallvõre - mittemolekulaarne mittemetallid – kovalentne mittepolaarne side Molekulaarsed (H2...) – molekulvõre Mittemolekulaarsed (Si...) – aatomvõre

KORDAVALT LIITAINED aktiivne metall + aktiivne mittemetall (NaCl) – iooniline side – ioonvõre - mittemolekulaarne (vähemaktiivne) metall + mittemetall (Al2O3) – kovalentne side – aatomvõre - mittemolekulaarne mitu mittemetalli – kovalentne side tavaliselt molekulaarsed ained (CO2, suhkur) – molekulvõre mõnel puhul ka aatomvõre, näiteks SiC, BC, SiO2 (mittemolekulaarne)

Õige variant! Reaktsioon 2H2 + O2  2H2O on eksotermiline/endotermiline. Järelikult on sideme H-H ja O=O lõhkumisel eralduv/neelduv energiahulk suurem/väiksem kui sidemete H-O tekkel eralduv/neelduv energiahulk. ΔH on seega >0/<0. Ioonvõrega ained on kõrge/madala sulamistemperatuuriga, mistõttu nad on tavatingimustes gaasilises/vedelas/tahkes olekus. Reaktsioon 2H2 + O2  2H2O on eksotermiline. Järelikult on sideme H-H ja O=O lõhkumisel neelduv energiahulk väiksem kui sidemete H-O tekkel eralduv energiahulk. ΔH on seega <0. Ioonvõrega ained on kõrge sulamistemperatuuriga, mistõttu nad on tavatingimustes tahkes olekus.

HARJUTAMISEKS Täida tabel! Keemilise sideme liik Aine ehituse tüüp Kovalentne Iooniline Metalli-line Moleku-laarne Mitte-molekulaarne Polaarne Mitte-polaarne KBr P4 SO3 Si SiO2 Fe CCl4 KBr – iooniline – mittemolekulaarne (ioonvõre on hiigelstruktuur, ei saa rääkida molekulist) P4 – kovalentne mittepolaarne – molekulaarne (mittemetallist lihtaine, indeks näitab, et on tegemist molekulaarse ainega) SO3 – kovalentne polaarne side – tüüpiline molekulaarne aine (on ju kovalentse sidemega liitaine: mitu erinevat mittemetalli) Si – kovalentne mittepolaarne side – mittemolekulaarne (aatomvõre – indeksit pole lihtaines! Tegemist on hiigelstruktuuriga) SiO2 – kovalentne polaarne – mittemolekulaarne (üks tuntumaid kahe mittemetallilise elemendi ühendeid, millel on aatomvõre ja molekule POLE – liiv) Fe – metalliline side – mittemolekulaarne (metallivõre puhul ei saa samuti rääkida molekulvõrest) CCl4 – kovalentne polaarne side – molekulaarne (tüüpiline: kaks või enam mittemetalli liitaines). NB! Aine esinemist molekulaarsena saame vaid kaaluda siis, kui on tegemist vaid mittemetallidega. Lihtaines siis, kui on ka indeks.

Ülesanne Valige alltoodud ainete hulgas... a) kolm ainet, milles esineb polaarne kovalentne side b) kolm ainet, milles (tahkes või vedelas olekus) on osakeste vahel molekulidevahelised tõmbejõud KBr, S8, Fe, C (teemant), CCl4, Ca, C12H22O11, BaCl2, SiO2 (kvarts) CCl4, C12H22O11, SiO2 (ikka otsite üles erinevad mittemetalliliste elementide aatomid!) Molekulaarsed ained on lihtainetest S8 (indeksiga lihtaine) ja liitainetest CCl4 ja C12H22O11.

Ainete omadused... Aine Sideme tüüp Võre tüüp Sul-temp Kõva H2O SiO2 NaCl C (teemant) H2 H2O – kovalentne side – molekulvõre – madal sulamistemp – otseselt ei määra kõvadust (vedel olek pole eriliselt pehme ega kõva..., osa molekulvõrega aineid pigem pehmed!) SiO2 – kovalentne side – aatomvõre – kõrge sulamistemperatuur – kõva NaCl – iooniline side – ioonvõre – kõrge sulamistemperatuur – kõva, aga habras C (teemant) – kovalentne side – aatomvõre – kõrge sulamistemp - väga kõva H2 – kovalentne side – molekulvõre – madal sulamistemperatuur

Sulamistemperatuur Kummal on madalam sulamistemperatuur... NaCl või PCl5? H2O või CaO? Cl2 või I2? PCl5 – molekulaarne aine (NaCl iooniline) H2O – molekulaarne aine (CaO põhimõtteliselt iooniline) Cl2 – gaasiline, I2 on tahke. Molekuli suurus ja nende vahel mõjuvad mittepolaarsed jõud!

Aine ehitusest veel... Võtame elemendid Na, C, Si, N, S, Cl Kirjutage nende kõrgeima o.-a.-ga oksiidide valemid. Milline on sideme tüüp ja kristallivõre tüüp (ning aine ehitus: molekulaarne või mittemolekulaarne) neis ainetes? Na2O – iooniline side – ioonvõre - mittemolekulaarne CO2 – kovalentne side – molekulvõre – molekulaarne SiO2 – kovalentne side – aatomvõre – mittemolekulaarne N2O5 – kovalentne side – molekulvõre – molekulaarne SO3 – kovalentne side – molekulvõre – molekulaarne Cl2O7 – kovalentne side – molekulvõre – molekulaarne

MÕTLEMISEKS Millised keemilised sidemed katkevad... Vee elektrolüüsil? Vee destilleerimisel? Lume sulamisel? Naatriumitüki lõikamisel? Tahke joodi aurustamisel? Suhkru peenestamisel? Keedusoola peenestamisel? Keedusoola sulatamisel? Vee elektrolüüsil? – Et vesi laguneb vesinikuks ja hapnikuks, siis katkevad suisa kovalentsed polaarsed sidemed vee molekuli sees. Vee destilleerimisel? – Et vesi vaid aurustub ja veeldub seejärel, siis molekulid ning kovalentsed sidemed jäävad terveks  katkevad vaid vesiniksidemed, mis on antud juhul üheks MOLEKULIDEVAHELISEKS JÕUKS. Lume sulamisel? – samuti vesiniksidemed – molekule siduvad jõud Naatriumitüki lõikamisel? – ainus võimalus, et metalliline side ja nii ka on. Tahke joodi aurustamisel? – Jood esineb kaheaatomiliste molekulidena nii tahkena kui gaasilises olekus, seega aine oleku muutusel antud juhul (ja nagu MOLEKULAARSETE AINETEGA IKKA) katkevad molekulidevahelised jõud Suhkru peenestamisel? – molekulidevahelised jõud (molekule me uhmris peenestada ei saa, seega kovalentsed sidemed jätke mängust välja!) Keedusoola peenestamisel? – ioonilised sidemed, sest muud varianti polegi Keedusoola sulatamisel? – ioonilised sidemed ja kes midagi muud pakub, peab presentatsiooni veel 4 korda läbi töötama!!! (molekulidevahelised jõud on eriti kehvavõitu pakkumine, sest keedusoolas on ioonvõre ja me ei saa rääkidagi molekulidest.. Mis siis veel nendevahelistest sidemetest!)

Vesinikside Kas vesinikside saab tekkida: Vesinikfluoriidhappes HF? Kaaliumkloriidis KCl? Metaanhappes HCOOH? Ammoniaagis NH3? Etaanis C2H6 HF – saab, sest vesinik on omandanud positiivse osalaengu ja fluoril negatiivne (+ elektronpaar) KCl – ei saa, sest puudub juba vesinik HCOOH – saab, sest vesinik seotud hapnikuga (sarnane põhimõte, nagu vees; teise vesiniku asemel aga CHO) NH3 – saab, sest pos. osalaenguga vesinik neg. osalaenguga ammoniaagi küljes C2H6 – ei saa, sest puudub positiivse osalaenguga vesinik (C-H side kokkuleppelist mittepolaarne)