Chemická vazba představuje soudržné síly, které navzájem poutají sloučené atomy v molekulách a krystalech pomocí valenčních elektronů. K jejímu vzniku i štěpení dochází během chemických reakcí. Při těsném přiblížení slučujících se atomů dochází ke změnám elektronové hustoty, jejichž výsledkem je uspořádání atomů tak, že elektrony i jádra mají nižší energii než samotné izolované atomy, a proto je výsledné uspořádání stabilnější.
Podmínky pro vznik chemické vazby jsou následující: Atomy se přiblíží tak, aby se překrývaly jejich valenční orbitaly. Elektrony musí být v orbitalech uspořádány tak, aby mohly vzniknout vazebné elektronové páry (elektrony mají opačný spin). Kovalentní vazba vzniká tehdy, má-li nové seskupení atomů menší energii než jednotlivé atomy. Podmínkou vzniku vazby je dostatečné přiblížení atomů, které mají dostatečně vysokou energii a správnou prostorovou orientaci.
Energie chemické vazby
Při tvorbě chemické vazby se uvolňuje vazebná energie. Pro rozštěpení chemické vazby je nutno dodat tzv. disociační energii. Tyto dvě energie se liší pouze znaménkem a udávají se v kJ·mol⁻¹. Čím větší je vazebná energie, tím je vazba pevnější.
Vlastnosti chemické vazby
Mezi základní vlastnosti chemické vazby patří její délka, která je definována jako vzdálenost středů atomových jader spojených vazbou. Dalšími důležitými vlastnostmi jsou vazebný úhel a prostorové uspořádání vazby. Pokud jsou vazby rovnocenné a středový atom nemá volné valenční elektrony, vazebné úhly a prostorové tvary jsou následující.
Například molekula vody není lineární, ale lomená, protože kyslík má dva volné elektronové páry. Vazebný úhel H-O-H je v tomto případě přibližně 105°.
Typy chemických vazeb
Kovalentní vazba
Kovalentní vazba je založena na společném sdílení dvojic elektronů oběma atomy. Elektrony společné oběma atomům mají opačný spin (podle Pauliho principu). Počet kovalentních vazeb vycházejících z atomu prvků ve sloučenině, neboli počet vazebných elektronových párů, které sdílí s druhým atomem, se nazývá vaznost (Lewis).
Přiblížením dvou atomů dochází k průniku valenčních orbitalů, čímž vznikají molekulové orbitaly. Podle tvaru rozlišujeme vazby σ (sigma) a π (pi).
- Vazba σ: Vzniká obsazením molekulového orbitalu σ. Hustota elektronů je největší na spojnici jader atomů. Může vzniknout překrytím dvou orbitalů s, kombinací orbitalů s a p, nebo dvou orbitalů p.
- Vazba π: Vzniká obsazením molekulového orbitalu π. Elektronová hustota je největší mimo spojnici jader atomů. Vzniká až po vytvoření vazby σ a podílí se na vzniku násobných vazeb. Je slabší než vazba σ, proto sloučeniny s násobnou vazbou jsou reaktivnější. Může vzniknout překrytím dvou orbitalů p, nebo kombinací orbitalů p a d, či dvou orbitalů d.
Násobné vazby
- Jednoduchá vazba: Je uskutečněna sdílením pouze jednoho elektronového páru a je tvořena vazbou σ. Je delší a slabší než násobné vazby.
- Dvojná vazba: Je uskutečněna sdílením dvou elektronových párů a je tvořena jednou vazbou σ a jednou vazbou π. Je kratší a pevnější než jednoduchá vazba.
- Trojná vazba: Je uskutečněna sdílením tří elektronových párů a je tvořena jednou vazbou σ a dvěma vazbami π. Je nejkratší a nejpevnější.
Elektronegativita a polarita kovalentní vazby
Elektronegativita je schopnost atomu přitahovat vazebné elektrony. Elektronegativnější atom ve vazbě k sobě poutá elektronový pár silněji než druhý atom.
- Polární vazba: Vzniká mezi dvěma různými atomy, kde je rozdíl elektronegativit od 0,4 do 1,7. V okolí atomu s vyšší elektronegativitou je hustota elektronů vyšší. U elektronegativnějšího atomu převládá částečný záporný náboj (δ⁻), zatímco u druhého atomu vzniká částečný kladný náboj (δ⁺). Molekula tak tvoří dipól.
- Nepolární vazba: Vzniká mezi dvěma stejnými atomy nebo u atomů, kde rozdíl elektronegativit nepřevyšuje 0,4. Rozdělení elektronové hustoty je přibližně rovnoměrné.
Iontovost kovalentní vazby je chápána jako bod na pomyslném spektru mezi čistě kovalentními a čistě iontovými vazbami. Pokud je rozdíl elektronegativit větší než 1,7, vazba se považuje za čistě iontovou.
Koordinačně kovalentní vazba
Při vzniku koordinačně kovalentní vazby jeden atom (donor) poskytne oba elektrony, zatímco druhý atom (akceptor) má ve valenční vrstvě volný orbital a oba elektrony přijme. Na tomto typu vazby je založena velká skupina látek - koordinační sloučeniny.
Iontová vazba
Iontová vazba je extrémním případem polární kovalentní vazby, který vzniká, je-li rozdíl elektronegativit větší než 1,7. Sdílené elektrony patří téměř úplně do elektronového obalu elektronegativnějšího atomu. Elektropozitivnější atom předá elektron druhému atomu, čímž vzniká kation a anion. Iontové sloučeniny jsou v běžných podmínkách krystalické látky, kde jsou jednotlivé ionty vázány elektrostatickými interakcemi.
Kovová vazba
Kovová vazba se vyskytuje mezi atomy kovů v tuhém stavu. Každý atom kovu je v krystalické mřížce obklopen větším počtem stejných atomů, než je počet jeho valenčních elektronů. Překrytím valenčních elektronů těchto atomů se vytvářejí energetické pásy, kde jsou elektrony delokalizovány a volně se pohybují. Látky s kovovou vazbou vedou elektrický proud a teplo, jsou kujné a tažné.
Slabší vazebné interakce
Kromě hlavních typů chemických vazeb existují i slabší vazebné interakce:
- Van der Waalsovy síly: Vznikají na základě vzájemného působení molekulových dipólů a projevují se přitahováním opačných pólů molekul nebo nábojů iontů.
- Vodíkový můstek: Vyskytuje se u sloučenin vodíku s prvky o vysoké elektronegativitě (F, O, N), které mají volný nevazebný elektronový pár. Atom vodíku jedné molekuly vytváří slabou vazbu s volným elektronovým párem elektronegativnějšího prvku druhé molekuly. Ve vzorcích se značí tečkováním (např. F-H……F-H).
Vliv chemické vazby na vlastnosti látek
Typ chemické vazby zásadně ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti látek:
- Látky s kovalentní nepolární vazbou: Jsou obvykle nerozpustné ve vodě, rozpustné v nepolárních rozpouštědlech a nevedou elektrický proud.
- Látky s polární a iontovou vazbou: Jsou rozpustné ve vodě, nerozpustné v nepolárních rozpouštědlech. V roztoku nebo tavenině vedou elektrický proud.
- Látky s kovovou vazbou: Vedou elektrický proud a teplo, jsou kujné a tažné.
Krystaly
Krystaly jsou tvořeny látkami s pravidelným uspořádáním základních částic (iontů, atomů nebo molekul). Základní stavební jednotkou je základní buňka. Podle typu vazby mezi stavebními částicemi rozlišujeme:
- Iontové krystaly: Složené z iontů, které jsou obklopeny ionty opačně nabitými. Jsou křehké, mají vysoké teploty tání a v roztocích a taveninách vedou elektrický proud (např. NaCl).
- Atomové (kovalentní) krystaly: Složené z pravidelně uspořádaných kovalentně vázaných atomů. Mají vysoké teploty tání, jsou tvrdé, nerozpustné v běžných rozpouštědlech a nevedou elektrický proud (např. diamant, grafit).
- Molekulové krystaly: Složené z pravidelně uspořádaných molekul, které jsou navzájem vázány van der Waalsovými silami nebo vodíkovými můstky. Mají nízké teploty tání a nevedou elektrický proud (např. jód).
