Keemilised sidemed: määratlus, tüübid ja omadused

Keemilised sidemed: selge määratlus, kovalentsed ja ioonsed tüübid, sideme omadused, näited ning selgitused molekulide, kristallide ja metallide sidemete kohta.

Keemilised sidemed on see, mis ühendab aatomeid omavahel. Seotud aatomid püsivad kokku, kuni sidemele ei anta vajalikku energiakogust, mis sideme lõhuks. Sidemed tekivad eelkõige elektronide liikumise ja elektriliste tõmmete tagajärjel: negatiivsed elektronid ning positiivsed aatomituumad (prootonid) mõjutavad aatomitevahelisi jõude ja määravad, kas ning kuidas aatomid seonduvad.

Sideme põhiliigid

Keemikud eristavad mitut olulist sidemetüüpi. Põhilised on:

• Kovalentsed sidemed – tekivad siis, kui aatomid jagavad ühiselt ühte või mitut elektronipaari. Kovalentsed sidemed võivad olla kaksik- või kolmikühendused (üksik-, kaksik- ja kolmiksidemed vastavalt ühe, kahe või kolme elektronipaari jagamisele). Näide: H2, O2, C≡C orgaanilistes ühendites.
• Ioonilised sidemed – tekivad vastassuunaliselt laetud ioonide vahelise elektrostaatilise atraktsiooni tõttu. Tüüpiline näide on NaCl, kus Na annab elektroni ja muutub positiivseks iooniks, Cl võtab elektroni ja muutub negatiivseks iooniks.
• Metallilised sidemed – metallides on väliselektronid delokaliseerunud ja moodustavad "elektrimeri", mis seob positiivseid metalliioone ja annab metallidele hea juhtivuse ning plastilisuse. Metallide omadused (sära, soojus- ja elektrijuhtivus) tulenevad sellest sidemetüübist.
• Hüdrogeen- ja teised nõrgemad sidemed – näiteks hüdrogeensidemed (nt vee molekulidevaheline H‑sideme efekt) ja dispersioon- ning dipoolindutseeritud jõud (van der Waals'i jõud), mis on nõrgemad kui kovalentsed või ioonilised sidemed, kuid olulised biomolekulide ja vedelike käitumise jaoks.
• Koordinaatsed (datiivsed) sidemed – kovalentse laadi sidemed, kus mõlema sideme moodustava elektroni paar tuleb ühest aatomist (näiteks NH3 + H+ → NH4+ puhul).

Keemiliste sidemete roll ainetes

Keemilised sidemed hoiavad koos molekulide, kristallide, metallide ja kaheaatomiliste gaaside aatomeid. Sideme tüüp määrab suuresti aine makroskoopilised omadused: tahkete kristallide kõvadus, sulamis‑ ja keemistemperatuurid, elektri- ja soojusjuhtivus, lahustuvus jm.

Sideme omadused ja mõõtjad

• Sidemeenergia (sideme tugevus) – näitab, kui palju energiat tuleb anda sideme lõhkumiseks. Üldiselt: kolmiksidemed > kaksiksidemed > üksiksidemed.
• Sideme pikkus – keskmaa kahe aatomi tuuma vahel; lühemad sidemed on tavaliselt tugevamad.
• Polaarsus ja elektronegatiivsus – kui kahe sideneva aatomi elektronegatiivsus erineb, tekib polaarsus ja sideme osaline iooniline iseloom. See määrab molekuli lahustuvuse ja reaktsioonivõime.
• Sideme järk (bond order) – näitab sidemete arvu samade aatomite vahel (1, 2, 3) või kvantmehaaniliselt määratud väärtust molekulaarorbitaalide analüüsis.
• Resonants ja delokaliseerumine – mõnikord ei saa elektronpaare ühes ainsas Lewis‑struktuuris paikseks pidada; elektronid on delokaliseerunud (näiteks bensoeenirõngas), mis mõjutab sidemete omadusi ja molekuli stabiilsust.

Kuidas sidemeid kirjeldatakse ja kujutatakse

Keemikud kasutavad sidemete kirjeldamiseks mitut lähenemist:

• Lewis'i punkt‑jaooned – elektronid joonistatakse punktidena ümber aatomite sümbolite või sidemed tühiste joontega (iga joon tähistab kahe elektroniga sidet). Selle kaudu rakendatakse tihti ka okteti reeglit (kuni kaheksa elektroni väliskihis), kuigi on erandeid.
• VSEPR‑teooria – kirjeldab molekuli ruumilist kuju, lähtudes elektronpaaride vastastikust tõukest.
• Molekulaarorbitaalide teooria – arvestab elektronide lainefunktsioone ja võimaldab seletada delokaliseerumist, magnetilisi omadusi ja molekulide energiajaotust.

Praktilised näited ja tagajärjed

• Vesi: polaarne kovalentne molekul koos tugeva hüdrogeensidemega — põhjustab vee kõrge sulamis- ja keemistemperatuuri ning hea lahustuvuse ioonsete ühendite jaoks.
• NaCl kristall: tugev iooniline võrgustik, mis on tahke olekus kõva ja hapras ning sulab kõrgel temperatuuril.
• Grafeen ja teemant: süsiniku erinevad sidemevõrgud (võrgustikuline kovalentne sidumine) annavad väga erinevad omadused — teemant on äärmiselt kõva, grafeen juhtiv ja painduv.
• Metallid: delokaliseerunud elektronid võimaldavad elektri ja soojuse hõlpsat juhtimist ning annavad metallidele plastilisuse.

Kokkuvõte

Keemilised sidemed on aatomitevahelised jõud, mis määravad aine struktuuri ja omadused. Sideme tüüp (kovalentne, iooniline, metalliline, hüdrogeeniline jne), sidemeenergia, pikkus ja polaarsus mõjutavad aine käitumist ja reaktsioonivõimet. Keemikud kasutavad nii lihtsaid visuaalseid mudeleid (Lewis) kui ka kvantmehaanilisi teooriaid (molekulaarorbitaalid), et sidemeid kirjeldada ja ennustada molekulide omadusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on keemiline side?

K: Mis juhtub aatomitega, mis on omavahel seotud?

K: Mis kaasneb tugeva keemilise sidemega?

K: Millised on keemiliste sidemete tüübid?

K: Kuidas tekivad kovalentsed sidemed?

K: Mis on iooniline side?

K: Kuidas kirjeldavad keemikud tavaliselt keemilisi sidemeid?

Otsing