Jakie wiązania występują w codziennych materiałach?

Wiązania chemiczne stanowią podstawę struktury wszystkich codziennych materiałów. To od rodzaju tych wiązań zależą właściwości substancji, ich wytrzymałość, przewodnictwo elektryczne oraz zachowanie w rozmaitych warunkach. W niniejszym artykule przedstawiamy, jakie wiązania występują w codziennych materiałach, jak przebiegają ich mechanizmy oraz jaki mają wpływ na właściwości materii na co dzień wykorzystywanej przez człowieka [1][2][4][6].

Podstawowe rodzaje wiązań chemicznych

W codziennych materiałach dominują trzy główne typy wiązań chemicznych: wiązania jonowe, wią̨zania kowalencyjne oraz wiązania metaliczne [1][2][4]. Bezpośrednio wpływają one na trwałość, fizyczną strukturę oraz funkcjonalność wielu znanych substancji.

Wiązania jonowe powstają, gdy jeden atom oddaje elektron, a drugi go przyjmuje. Mechanizm ten zachodzi między pierwiastkami o dużej różnicy elektroujemności – przekraczającej 1,7 na skali Paulinga. Wynikiem jest przyciąganie się przeciwstawnie naładowanych jonów i powstanie trwałej sieci krystalicznej [4].

Wiązania kowalencyjne polegają na współdzieleniu jednej lub większej liczby par elektronów przez dwa atomy, prowadząc do powstania pojedynczych, podwójnych lub potrójnych wiązań. Charakter tych wiązań zależy od różnicy elektroujemności i może być spolaryzowany lub niespolaryzowany [1][4].

Wiązania metaliczne charakteryzują się „morzem swobodnych elektronów”, gdzie atomy metali dzielą się elektronami walencyjnymi pomiędzy sobą. Dzięki temu materiały metaliczne posiadają specyficzne cechy: przewodnictwo elektryczne, ciągliwość oraz zmienność temperatur topnienia [6].

Mechanizmy i właściwości wiązań

Mechanizm powstawania i właściwości poszczególnych wiązań warunkują cechy codziennych materiałów [1][4][6]. Wiązania kowalencyjne, oparte na dzieleniu elektronów, występują w strukturach od prostych po bardzo złożone. Wiązania pojedyncze zapewniają substancjom elastyczność, podwójne podnoszą ich reaktywność, a potrójne – wyjątkową stabilność i trudność rozbicia [1].

Wiązania jonowe przekładają się na wysoką temperaturę topnienia i wrzenia, wytrzymałość mechaniczną oraz przewodnictwo prądu po stopieniu lub rozpuszczeniu w wodzie. Z kolei substancje z wiązaniami metalicznymi cechuje dobra przewodność prądu i wysoka wytrzymałość mechaniczna, przy zmiennych temperaturach topnienia [6].

Wiązania kowalencyjne skutkują z reguły niską temperaturą wrzenia i topnienia, słabą wytrzymałością mechaniczną i izolacyjnością elektryczną (oprócz pewnych wyjątków) [6].

Dodatkowe rodzaje wiązań chemicznych

W codziennych materiałach obok głównych występują dodatkowe typy wiązań:

Wiązania koordynacyjne powstają, gdy oba elektrony w parze wiążącej pochodzą od jednego atomu. Są to szczególne przypadki wiązań kowalencyjnych i pełnią istotną rolę w tworzeniu złożonych struktur [3].

Wiązania wodorowe to słabe oddziaływania między atomem wodoru związanym z silnie elektroujemnym pierwiastkiem. Pojedyncze wiązania wodorowe łatwo ulec zerwaniu, lecz wiele z nich naraz daje łącznie dużą siłę oddziaływań, kluczową dla właściwości licznych substancji [3][7].

Dodatkowo w codziennych materiałach obecne są słabe siły oddziaływań międzycząsteczkowych, takie jak siły dyspersyjne Londona [3][4].

Powiązania właściwości z rodzajem wiązania

Rodzaj wiązania chemicznego bezpośrednio determinuje właściwości fizyczne i chemiczne materiałów [6].

– Wiązania jonowe: Powodują, że materiały są kruche, mają wysoką temperaturę topnienia oraz mogą przewodzić prąd wyłącznie po stopieniu lub rozpuszczeniu.

– Wiązania kowalencyjne: Kryształy zbudowane w oparciu o te wiązania odznaczają się z reguły niską temperaturą topnienia, słabą mechaniczną wytrzymałością i brakiem przewodnictwa elektrycznego. Wyjątek stanowi struktura grafitu, wykazująca przewodzenie prądu.

– Wiązania metaliczne: Depozytujące wysoki poziom przewodnictwa elektrycznego, ciągliwość i bardzo różną wytrzymałość mechaniczną w zależności od struktury.

Zróżnicowanie rzędu wiązań i ich znaczenie

Występują wiązania pojedyncze, podwójne oraz potrójne – im wyższy rząd wiązania tym większa jego siła i stabilność, co znacząco utrudnia ich rozbijanie. Rzadziej wykrywa się wiązania poczwórne, pięciokrotne, a nawet sześciokrotne, których obecność stwierdzono jedynie w wybranych cząsteczkach [5].

W praktyce codziennej wiązania wysokiego rzędu odpowiadają za niezwykłą stabilność niektórych gazów czy substancji, uniemożliwiając łatwą ich przemianę czy reaktywność. Wiązania pojedyncze występują w prostych związkach, podczas gdy wiązania potrójne odpowiadają za szczególną wytrzymałość na rozerwanie [1].

Podsumowanie – praktyczne znaczenie wiązań w materiałach codziennych

Materiały, z których korzystamy każdego dnia, zawdzięczają swoje właściwości różnorodności wiązań chemicznych. Wspólne dzielenie się elektronami (wiązania kowalencyjne), transfer elektronów między jonami (wiązania jonowe) oraz towarzystwo „morza elektronów” (wiązania metaliczne) determinują, czy dana substancja będzie twarda, przewodząca prąd, czy rozpuszczalna w wodzie [1][4][6].

Obecność dodatkowych rodzajów wiązań, jak koordynacyjne czy wodorowe, umożliwia powstawanie bardziej złożonych struktur i oddziaływań w materiale, co zauważalnie wpływa na jego codzienne zastosowania i specyficzne cechy [3][7].

Różnice w strukturze i typie wiązań odpowiadają za szeroki wachlarz właściwości współczesnych materiałów. Wiedza o typach wiązań pozwala zrozumieć, dlaczego materiały zachowują się w określony sposób oraz jak można je wykorzystać w praktyce [1][2][3][4][5][6][7].

Źródła:

• [1] https://www.590powodow.pl/artykul/rodzaje-wiazan-chemicznych/
• [2] https://zasoby.open.agh.edu.pl/data/kursy/mod/book/view.php?id=3236&chapterid=405
• [3] https://naukowcowdwoch.pl/rodzaje-wiazan-chemicznych/
• [4] https://distripark.com/aktualnosci/rodzaje-wiazan-chemicznych
• [5] https://pl.wikipedia.org/wiki/Wi%C4%85zanie_chemiczne
• [6] https://paniodchemii.pl/wiazania-chemiczne/
• [7] https://pl.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/introduction-to-biological-macromolecules/a/chemical-bonds-article