Name: chemical bonds and how atoms join
Uploaded: 2023-04-30T18:28:47.000Z
Duration: 2 min 37 s
Channel: JoVE

Wiązania chemiczne są niezbędne, aby atomy mogły tworzyć różne związki, takie jak sól, woda lub stopy. Zrozumienie tworzenia wiązań chemicznych, a dokładniej przyciągania między atomami, pomoże zrozumieć i przewidzieć zachowanie molekularne. 

Jądro atomu składa się z neutronów i dodatnio naładowanych protonów, które jest otoczone ujemnie naładowanymi elektronami. 

Kiedy dwa atomy zbliżają się do siebie, elektrony z jednego atomu są przyciągane do jądra drugiego atomu i odwrotnie. Jednocześnie jądra obu atomów odpychają się od siebie, podobnie jak elektrony każdego atomu.

Kiedy te oddziaływania prowadzą do redukcji netto energii potencjalnej, powstaje wiązanie chemiczne. Istnieją trzy rodzaje wiązań chemicznych.

Metal i niemetal, takie jak sód i chlor, tworzą wiązanie jonowe. Metale mają niskie energie jonizacji, co pozwala na łatwiejsze usuwanie elektronów z atomu. Elektrony te są łatwo akceptowane przez niemetale, biorąc pod uwagę ich wysokie powinowactwo elektronowe i chęć uzyskania pełnej powłoki walencyjnej.

Dlatego metal przenosi elektrony do niemetalu, tworząc kation i anion. Te naładowane cząstki przyciągają się nawzajem, tworząc wiązanie jonowe. 

Drugi typ to wiązania kowalencyjne utworzone między dwoma niemetalami, takimi jak węgiel i dwa atomy tlenu tworzące dwutlenek węgla. 

Niemetale mają wysokie energie jonizacji, co utrudnia usuwanie i przenoszenie elektronów walencyjnych z jednego atomu na drugi;  stąd elektrony są współdzielone między atomami. Te wspólne elektrony oddziałują z obydwoma jądrami wiążących atomów i obniżają energię potencjalną. 

Ostatnim typem jest wiązanie metaliczne powstające między dwoma atomami metalu. Atomy metalu łatwo tracą elektrony walencyjne, tworząc pulę elektronów zgodnie z najprostszym modelem morza elektronowego. 

Elektrony walencyjne ulegają delokalizacji na całym metalu, a dodatnio naładowane atomy metalu są przyciągane do tej puli elektronów, która utrzymuje atomy razem.

rodzaje wiązań chemicznych

Types of Chemical Bonds

Pionierem teorii wiązań chemicznych był amerykański chemik Gilbert N. Lewis. Opracował model zwany modelem Lewisa, aby wyjaśnić rodzaj i powstawanie różnych wiązań. Wiązanie chemiczne ma kluczowe znaczenie w chemii, gdyż wyjaśnia, w jaki sposób atomy lub jony łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki. Mówi też, dlaczego niektóre wiązania są mocne, a inne słabe, dlaczego jeden węgiel wiąże się z dwoma atomami tlenu, a nie z trzema, czy dlaczego woda to H2O, a nie H4O.

<h4>Wiązania jonowe</h4>

Jony to atomy lub cząsteczki posiadające ładunek elektryczny. Kation (jon dodatni) powstaje, gdy neutralny atom traci jeden lub więcej elektronów ze swojej powłoki walencyjnej, a anion (jon ujemny) tworzy się, gdy neutralny atom zyskuje jeden lub więcej elektronów na swojej powłoce walencyjne9j. Związki składające się z jonów nazywane są związkami jonowymi (lub solami), a jony ich składowe są utrzymywane razem za pomocą wiązań jonowych: elektrostatycznych sił przyciągania pomiędzy przeciwnie naładowanymi kationami i anionami.

Właściwości związków jonowych rzucają nieco światła na naturę wiązań jonowych. Jonowe ciała stałe mają strukturę krystaliczną, są sztywne i kruche; mają również zwykle wysokie temperatury topnienia i wrzenia, co sugeruje, że wiązania jonowe są bardzo silne. Z tego samego powodu ciała stałe jonowe są również słabymi przewodnikami prądu elektrycznego — siła wiązań jonowych uniemożliwia swobodny ruch jonów w stanie stałym. Jednakże większość substancji stałych jonowych łatwo rozpuszcza się w wodzie. Po rozpuszczeniu lub stopieniu związki jonowe są doskonałymi przewodnikami prądu i ciepła, ponieważ jony mogą się swobodnie poruszać.

<h4>Wiązania kowalencyjne</h4>

Atomy niemetali często tworzą wiązania kowalencyjne z innymi atomami niemetali. Wiązania kowalencyjne powstają, gdy elektrony są dzielone między atomami i są przyciągane przez jądra obu atomów. Jeśli atomy tworzące wiązanie kowalencyjne są identyczne, jak w przypadku H2, Cl2 i innych cząsteczek dwuatomowych, wówczas elektrony w wiązaniu muszą być równomiernie rozdzielone. Nazywa się to czystym wiązaniem kowalencyjnym. Kiedy atomy połączone wiązaniem kowalencyjnym są różne, elektrony wiążące są wspólne, ale nie są już jednakowe. Zamiast tego elektrony wiążące są bardziej przyciągane do jednego atomu niż do drugiego, co powoduje przesunięcie gęstości elektronów w stronę tego atomu. Ten nierówny rozkład elektronów nazywany jest polarnym wiązaniem kowalencyjnym.

Związki zawierające wiązania kowalencyjne wykazują inne właściwości fizyczne niż związki jonowe. Ponieważ przyciąganie między cząsteczkami, które są elektrycznie obojętne, jest słabsze niż między jonami naładowanymi elektrycznie, związki kowalencyjne mają na ogół znacznie niższe temperatury topnienia i wrzenia niż związki jonowe. Ponadto, podczas gdy związki jonowe są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego po rozpuszczeniu w wodzie, większość związków kowalencyjnych jest nierozpuszczalna w wodzie; ponieważ są elektrycznie obojętne, są słabymi przewodnikami prądu elektrycznego w każdym stanie.

<h4>Wiązania metaliczne</h4>

Wiązania metaliczne powstają pomiędzy dwoma atomami metali. Paul Drüde opracował uproszczony model opisujący wiązania metaliczne, zwany „Modelem Morza Elektronowego”. Bazując na niskich energiach jonizacji metali, model stwierdza, że atomy metali łatwo tracą swoje elektrony walencyjne i stają się kationami. Te elektrony walencyjne tworzą pulę zdelokalizowanych elektronów otaczających kationy w całym metalu.

Metaliczne ciała stałe, takie jak kryształy miedzi, aluminium i żelaza. zbudowane są z atomów metali i wszystkie wykazują wysoką przewodność cieplną i elektryczną, metaliczny połysk i plastyczność. Wiele z nich jest bardzo twardych i dość silnych. Ze względu na swoją plastyczność (zdolność do odkształcania się pod wpływem nacisku lub uderzenia) nie pękają, dzięki czemu są użytecznym materiałem konstrukcyjnym. Temperatury topnienia metali są bardzo zróżnicowane. Rtęć jest cieczą w temperaturze pokojowej, a metale alkaliczne topią się poniżej 200°C. Kilka metali po przejściowych ma również niskie temperatury topnienia, podczas gdy metale przejściowe topią się w temperaturach powyżej 1000 ° C. Różnice te odzwierciedlają różnice w sile wiązania metalicznego pomiędzy metalami.

Rodzaje wiązań chemicznych

Teorie wiązań chemicznych zostały zapoczątkowane przez amerykańskiego chemika Gilberta N. Lewisa. Opracował model zwany modelem Lewisa, aby wyjaśnić typ i ...

Education

JoVE Core

Cell Biology

Biologia komórki

Unit 1

Jednostka 1

Biochemistry of the Cell

Biochemia komórki

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

chemical bonds and how atoms join

Chemical bonds hold atoms together and help explain how different substances form. In chemistry, the main bond types are ionic bonds, covalent bonds, and metallic bonds.

Ionic bonds form when electrons move from one atom to another. Covalent bonds form when atoms share electrons. Metallic bonds occur in metals, where electrons are held in a shared arrangement that gives metals their characteristic behavior.

Understanding these bond types helps students compare how atoms connect in different materials. It also provides a foundation for studying why substances have different properties.

Chemical Bonds and How Atoms Join

the periodic table and organismal elements

the-periodic-table-and-organismal-elements

Elements in the Human Body and Periodic Table

Elements are the smallest units of matter that cannot be broken down further by chemical processes. Scientists know 118 elements, but not all of them occur naturally. Only a small number are essential for life, and living matter depends mostly on carbon, nitrogen, hydrogen, and oxygen. The periodic table organizes elements by their physical and chemical properties. Each square shows the element name, chemical symbol, atomic number, and atomic weight. The atomic number is the number of protons...

functional groups

Functional Groups in Organic Molecules

Functional groups are the part of an organic molecule that gives it specific chemical behavior. They help explain why compounds with similar carbon skeletons can react in different ways. In organic chemistry, these groups are often used to classify compounds. A functional group can change the properties of a molecule and affect how it behaves in a reaction. Knowing functional groups helps students recognize patterns in organic compounds. It also makes it easier to compare molecules that share...

types of chemical bonds

Chemical bonds hold atoms together and help explain how different substances form. In chemistry, the main bond types are ionic bonds, covalent bonds, and metallic bonds. Ionic bonds form when electrons move from one atom to another. Covalent bonds form when atoms share electrons. Metallic bonds occur in metals, where electrons are held in a shared arrangement that gives metals their characteristic behavior. Understanding these bond types helps students compare how atoms connect in different...

noncovalent attractions in biomolecules

Biomolecule Interactions Without Covalent Bonds

Biomolecules often stay together through noncovalent attractions instead of covalent bonds. These weaker interactions help molecules recognize each other and form structures needed for life. The main noncovalent attractions are hydrogen bonds, electrostatic interactions, van der Waals forces, and hydrophobic interactions. Each one works in a different way, but all of them can influence how biomolecules fold, bind, and behave in cells. Hydrogen bonds form when a hydrogen atom is attracted to...

polymers

Polymer Chains and Their Properties

Polymers are large molecules made from repeating units called monomers. These long chains can form many common materials. Their structure helps explain why different polymers can behave in different ways. Polymers can be built in more than one way. Some form by addition polymerization, where monomers join together directly. Others form by condensation polymerization, which releases a small molecule as the chain grows. The type of polymer affects its properties and uses. Some polymers are...

what are lipids?

Lipids in Cells: Membranes, Energy, and Signals

Lipids are important cell molecules that act as membrane parts, energy stores, and signaling molecules. They are a diverse group of hydrocarbons, which are compounds made of carbon and hydrogen atoms. The carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds are nonpolar, so lipids have an overall nonpolar character. Lipids are also hydrophobic, or “water-hating.” They do not form hydrogen bonds with water, so they are nearly insoluble in water. They are, however, soluble in organic solvents such as...

structure of lipids

How Lipid Molecules Are Built

Lipid molecules are built from hydrocarbon chains and a few key structural parts. Their shape helps explain why they behave differently from many other biological molecules. In high school biology, this structure is often linked to how lipids store energy and help form cell membranes. Some lipids are made from fatty acids joined to other small molecules. Triglycerides contain glycerol and three fatty acids, while phospholipids contain glycerol, two fatty acids, and a phosphate group. These...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrate Structure and Bonding

Carbohydrates are built from sugar units and the bonds that link them. Their chemistry explains how simple sugars join to form larger molecules. It also helps show why carbohydrates have different structures and functions. The video focuses on the main sugar types found in carbohydrates. These include monosaccharides, disaccharides, and polysaccharides. Monosaccharides are single sugar units. Disaccharides contain two sugar units, while polysaccharides are long chains of many sugar units. The...

nucleic acids

DNA and RNA in Cells

DNA and RNA are nucleic acids that help store and use genetic information in cells. They are key molecules in biology and are often studied together because they work as a pair in living systems. Nucleic acids are built from repeating units called nucleotides. Each nucleotide has a sugar, a phosphate group, and a nitrogenous base. The order of these bases carries the genetic code. There are two main nucleic acids: DNA, or deoxyribonucleic acid, and RNA, or ribonucleic acid. DNA usually stores...

protein and protein structures

How Protein Shape Determines Function

Proteins are essential molecules in living things, and their shape affects how they work. Protein structure is described at several levels, including primary, secondary, tertiary, and quaternary structure. These levels help explain how a protein is built and how its final form supports its job. Primary structure is the sequence of amino acids in a protein. Secondary structure forms when parts of the chain fold into regular patterns. Tertiary structure is the overall three-dimensional shape of...

ph regulation in cells

Cell pH and Organelle Balance

Cell pH and organelle balance are essential for normal cell function. pH affects protein shape and activity, the charge on cell membranes, and many metabolic reactions inside the cell. Cells also use the proton motive force, which is the energy stored in a proton gradient, to make ATP, the cell’s main energy molecule. The cytosol, or fluid inside the cell, is usually slightly more acidic than the fluid outside the cell. Even so, cells must stop the cytosol from becoming too acidic. They use...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water, Ions, and Molecules

Cell chemistry explains the substances that make cells work. Water is the main component of cells, and it supports the chemical reactions that keep life going. Cells also contain organic molecules, which are carbon-based compounds, and inorganic ions, which are charged particles needed for cell function. Organic molecules in cells include carbohydrates, lipids, proteins, and nucleic acids. These molecules have different roles, but together they build cell structures, store energy, and carry...

key terms and concepts

Explore ionic, covalent, and metallic bonds and how atoms join to form substances. A clear high school chemistry overview for grades 9–12.

Chemical Bonds and How Atoms Join | JoVE K12

cell biology

JoVE Core Cell Biology illustrates complex cellular processes in easy-to-understand yet comprehensive animated video lessons. This collection focuses on the essential components and functions of cells, including organelles and membranes, cellular transport, and cell energetics. It is complemented by scientist-in-action videos that demonstrate the application of cell biology in real-world research experiments.

Chemical Bonds and How Atoms Join

Description

Transcript

Tags