7.2 Samgild tengi

Jónatengi verður til vegna rafstöðuaðdráttar gagnstætt hlaðinna jóna sem venjulega myndast við flutning rafeinda milli frumeinda málma og málmleysingja. Annars konar tengi verður til vegna gagnkvæms aðdráttar frumeinda að „sameiginlegu“ rafeindapari. Slík efnatengi eru kölluð samgild tengi (e. covalent bonds). Samgild tengi myndast milli tveggja frumeinda þegar báðar hafa svipaða tilhneigingu til að draga rafeindir að sér (þ.e. þegar báðar frumeindirnar hafa sömu eða mjög svipaða jónunarorku og rafeindasækni). Til dæmis tengjast tvær vetnisfrumeindir með samgildu tengi og mynda H₂-sameind. Hvor vetnisfrumeind í H₂-sameindinni hefur tvær rafeindir sem koma á stöðugleika og gefa hvorri frumeind sama fjölda gildisrafeinda og eðalgasið He.

Efnasambönd sem innihalda samgild tengi sýna aðra eðliseiginleika en jónasambönd. Vegna þess að aðdráttarkrafturinn milli sameinda, sem eru rafhlutlausar, er veikari en milli rafmagns hlaðinna jóna, hafa samgild efnasambönd yfirleitt mun lægra bræðslu- og suðumark en jónasambönd. Reyndar eru mörg samgild efnasambönd vökvar eða lofttegundir við stofuhita og í föstu formi eru þau yfirleitt mun mýkri en jónísk föst efni. Þar að auki, á meðan jónasambönd eru góðir rafleiðarar þegar þau eru leyst upp í vatni, eru flest samgild efnasambönd torleyst í vatni. Þar sem þau eru rafhlutlaus eru þau lélegir rafleiðarar í hvaða ástandi sem er.

Myndun samgildra tengja

Frumeindir málmleysingja mynda oft samgild tengi við aðrar frumeindir málmleysingja. Til dæmis inniheldur vetnissameindin, H₂, samgilt tengi milli tveggja vetnisfrumeinda sinna. Mynd Mynd 7.4 sýnir hvers vegna þetta efnatengi myndast. Ef við byrjum lengst til hægri höfum við tvær aðskildar vetnisfrumeindir með ákveðna stöðuorku, sem er sýnd með rauðu línunni. Á x-ásnum er fjarlægðin milli frumeindanna tveggja. Þegar frumeindirnar tvær nálgast hvor aðra (færast til vinstri eftir x-ásnum) byrja gildissvigrúm þeirra (1s) að skarast. Stöku rafeindirnar á hvorri vetnisfrumeind víxlverka þá við báða frumeindarkjarnana og taka sér pláss í kringum báðar frumeindirnar. Sterkur aðdráttur hvorrar sameiginlegrar rafeindar að báðum kjörnunum kemur á stöðugleika í kerfinu og stöðuorkan minnkar eftir því sem tengifjarlægðin minnkar. Ef frumeindirnar halda áfram að nálgast hvor aðra byrja jákvæðu hleðslurnar í kjörnunum tveimur að hrinda hvor annarri frá sér og stöðuorkan eykst. Tengilengdin (e. bond length) ræðst af fjarlægðinni þar sem lægstu stöðuorkunni er náð.

A graph is shown with the x-axis labeled, “Internuclear distance ( p m )” while the y-axis is labeled, “Energy ( J ).” One value, “0,” is labeled midway up the y-axis and two values: “0” at the far left and “0.74” to the left, are labeled on the x-axis. The point “74” is labeled, “H bond H distance.” A line is graphed that begins near the top of the y-axis and to the far left on the x-axis and drops steeply to a point labeled, “negative 7.24 times 10 superscript negative 19 J” on the y-axis and 74 on the x-axis. This low point on the graph corresponds to a drawing of two spheres that overlap considerably. The line then rises to zero on the y-axis and levels out. The point where it almost reaches zero corresponds to two spheres that overlap slightly. The line at zero on the y-axis corresponds to two spheres that are far from one another. — Mynd 7.4 Stöðuorka tveggja aðskilinna vetnisfrumeinda (hægra megin) minnkar þegar þær nálgast hvor aðra og stöku rafeindirnar á hvorri frumeind eru sameiginlegar til að mynda samgilt tengi. Tengilengdin er fjarlægðin milli kjarnanna þar sem lægstu stöðuorkunni er náð.

Það er mikilvægt að muna að það þarf að bæta við orku til að rjúfa efnatengi (innvermið ferli), en það losnar orka við myndun efnatengja (útvermið ferli). Þegar um H₂ er að ræða er samgilda tengið mjög sterkt. Það þarf að bæta við mikilli orku, 436 kJ, til að rjúfa efnatengin í einu móli af vetnissameindum og fá frumeindirnar til að skiljast að:

H_{2} (g) ⟶ 2 H (g) Δ H = 436 kJ

Á hinn bóginn losnar sama magn af orku þegar eitt mól af H₂-sameindum myndast úr tveimur mólum af H-frumeindum:

2H (g) ⟶ H_{2} (g) Δ H = −436 kJ

Hrein og skautuð samgild tengi

Ef frumeindirnar sem mynda samgilt tengi eru eins, eins og í H₂, Cl₂ og öðrum tvíatóma sameindum, þá verður rafeindunum í efnatenginu að vera deilt jafnt. Við köllum þetta hreint samgilt tengi (e. pure covalent bond). Rafeindir sem deilt er í hreinum samgildum tengjum hafa jafn miklar líkur á að vera nálægt hvorum kjarnanum.

Þegar um Cl₂ er að ræða byrjar hvor frumeind með sjö gildisrafeindir og hvor Cl-frumeind deilir einni rafeind með hinni og myndar eitt samgilt tengi:

Cl + Cl ⟶ {Cl}_{2}

Heildarfjöldi rafeinda í kringum hverja einstaka frumeind samanstendur af sex óbindandi rafeindum og tveimur sameiginlegum (þ.e. bindandi) rafeindum, samtals átta rafeindir, sem samsvarar fjölda gildisrafeinda í eðalgasinu argon. Þar sem bindandi frumeindirnar eru eins hefur Cl₂ einnig hreint samgilt tengi.

Þegar frumeindirnar sem tengdar eru með samgildu tengi eru ólíkar er bindandi rafeindunum deilt, en ekki lengur jafnt. Þess í stað dragast bindandi rafeindirnar meira að annarri frumeindinni en hinni, sem veldur tilfærslu á rafeindaþéttleika í átt að þeirri frumeind. Þessi ójafna dreifing rafeinda er þekkt sem skautað samgilt tengi (e. polar covalent bond), sem einkennist af hluthleðslu á annarri frumeindinni og neikvæðri hluthleðslu á hinni. Frumeindin sem dregur rafeindirnar sterkara að sér fær neikvæðu hluthleðsluna og öfugt. Til dæmis eyða rafeindirnar í H–Cl-tenginu í vetnisklóríðsameind meiri tíma nálægt klórfrumeindinni en nálægt vetnisfrumeindinni. Þannig ber klórfrumeindin í HCl-sameind neikvæða hluthleðslu og vetnisfrumeindin hefur jákvæða hluthleðslu. Mynd Mynd 7.5 sýnir dreifingu rafeinda í H–Cl-tenginu. Taktu eftir að skyggða svæðið í kringum Cl er mun stærra en það er í kringum H. Berðu þetta saman við mynd Mynd 7.4, sem sýnir jafna dreifingu rafeinda í óskautaða H₂-tenginu.

Við táknum stundum jákvæðu og neikvæðu frumeindirnar í skautuðu samgildu tengi með gríska lágstafnum „delta“, δ, með plús- eða mínusmerki til að gefa til kynna hvort frumeindin hefur jákvæða hluthleðslu (δ+) eða neikvæða hluthleðslu (δ–). Þessi táknmynd er sýnd fyrir H–Cl-sameindina á mynd Mynd 7.5.

Two diagrams are shown and labeled “a” and “b.” Diagram a shows a small sphere labeled, “H” and a larger sphere labeled, “C l” that overlap slightly. Both spheres have a small dot in the center. Diagram b shows an H bonded to a C l with a single bond. A dipole and a positive sign are written above the H and a dipole and negative sign are written above the C l. An arrow points toward the C l with a plus sign on the end furthest from the arrow’s head near the H. — Mynd 7.5 (a) Dreifing rafeindaþéttleika í HCl-sameindinni er ójöfn. Rafeindaþéttleikinn er meiri í kringum klórkjarnann. Litlu, svörtu punktarnir sýna staðsetningu vetnis- og klórkjarnanna í sameindinni. (b) Táknið δ+ og δ– gefa til kynna skautun H–Cl efnatengisins.

Rafneikvæðni

Rafneikvæðni samanborið við rafsækni

Við verðum að gæta þess að rugla ekki saman rafneikvæðni og rafsækni. Rafsækni frumefnis er mælanlegur eðlisfræðilegur stærð, þ.e. orkan sem losnar eða er tekin upp þegar einangruð frumeind í gasfasa tekur til sín rafeind, mæld í kJ/mól. Rafneikvæðni lýsir aftur á móti því hversu fast frumeind dregur að sér rafeindir í efnatengi. Hún er víddlaus stærð sem er reiknuð út, ekki mæld. Pauling leiddi út fyrstu gildin fyrir rafneikvæðni með því að bera saman orkuna sem þarf til að rjúfa mismunandi gerðir efnatengja. Hann valdi geðþóttakvarða sem náði frá 0 til 4.

Efnafræðingur í brennidepli

Linus Pauling

Linus Pauling, sem sýndur er á Mynd 7.6, er eina manneskjan sem hefur hlotið tvenn óskipt (einstaklings) Nóbelsverðlaun: ein í efnafræði árið 1954 fyrir vinnu sína um eðli efnatengja og ein fyrir frið árið 1962 fyrir andstöðu sína gegn gereyðingarvopnum. Hann þróaði margar af þeim kenningum og hugtökum sem eru grundvöllur núverandi skilnings okkar á efnafræði, þar á meðal rafneikvæðni og vokmyndir.

Mynd 7.6 Linus Pauling (1901–1994) lagði mikið af mörkum til efnafræðinnar. Hann var einnig áberandi aðgerðasinni og vakti athygli á málum sem tengdust heilsu og kjarnorkuvopnum.

Pauling lagði einnig sitt af mörkum á mörgum öðrum sviðum en efnafræði. Rannsóknir hans á sigðkornablóðleysi leiddu í ljós orsök sjúkdómsins – tilvist erfðanlegs, afbrigðilegs próteins í blóðinu – og ruddu brautina fyrir sameindaerfðafræði. Vinna hans var einnig lykilatriði í að hefta tilraunir með kjarnorkuvopn; hann sannaði að geislavirkt niðurfall frá kjarnorkutilraunum stafaði hætta af fyrir lýðheilsu.

Rafneikvæðni og gerð efnatengis

Algildi mismunarins á rafneikvæðni (ΔEN) tveggja tengdra frumeinda gefur grófa mælingu á skautuninni sem búast má við í efnatenginu og þar með gerð efnatengisins. Þegar mismunurinn er mjög lítill eða enginn er efnatengið samgilt og óskautað. Þegar hann er mikill er efnatengið skautað samgilt eða jónískt. Algildi mismunarins á rafneikvæðni milli frumeindanna í efnatengjunum H–H, H–Cl og Na–Cl eru 0 (óskautað), 0,9 (skautað samgilt) og 2,1 (jónískt), í sömu röð. Hversu mikið rafeindum er deilt á milli frumeinda er breytilegt frá algerlega jöfnu (hreint samgilt efnatengi) til alls ekki (jónatengi). Mynd 7.7 sýnir sambandið milli mismunar á rafneikvæðni og gerðar efnatengis.

Two flow charts and table are shown. The first flow chart is labeled, “Electronegativity difference between bonding atoms.” Below this label are three rounded text bubbles, connected by a downward-facing arrow, labeled, “Zero,” “Intermediate,” and “Large,” respectively. The second flow chart is labeled, “Bond type.” Below this label are three rounded text bubbles, connected by a downward-facing arrow, labeled, “Pure covalent,” “Polar covalent,” and “Ionic,” respectively. A double ended arrow is written vertically to the right of the flow charts and labeled, “Covalent character decreases; ionic character increases.” The table is made up of two columns and four rows. The header line is labeled “Bond type” and “Electronegativity difference.” The left column contains the phrases “Pure covalent,” “Polar covalent,” and “Ionic,” while the right column contains the values “less than 0.4,” “between 0.4 and 1.8,” and “greater than 1.8.” — Mynd 7.7 Eftir því sem mismunur á rafneikvæðni milli tveggja frumeinda eykst verður efnatengið jónískara.

Gróf nálgun á mismuninum á rafneikvæðni sem tengist samgildum, skautuðum samgildum og jónískum efnatengjum er sýnd í Mynd 7.7. Þessi tafla er þó aðeins almenn leiðbeining með mörgum undantekningum. Til dæmis hafa H- og F-frumeindirnar í HF mismun á rafneikvæðni upp á 1,9 og N- og H-frumeindirnar í NH₃ mismun upp á 0,9, en samt mynda bæði þessi efnasambönd efnatengi sem eru talin skautuð samgild. Sömuleiðis hafa Na- og Cl-frumeindirnar í NaCl mismun á rafneikvæðni upp á 2,1 og Mn- og I-frumeindirnar í MnI₂ mismun upp á 1,0, en samt mynda bæði þessi efni jónísk efnasambönd.

Besta leiðin til að meta samgildan eða jónískan eiginleika efnatengis er að skoða gerðir frumeindanna sem um ræðir og hlutfallslega stöðu þeirra í lotukerfinu. Efnatengi milli tveggja málmleysingja eru yfirleitt samgild; tenging milli málms og málmleysingja er oft jónísk.

Sum efnasambönd innihalda bæði samgild og jónísk efnatengi. Frumeindirnar í fjölfrumeindajónum, eins og OH^–, ${{\text{NO}}_{3}^{\text{−}},}$ og ${{\text{NH}}_{4}^{\text{+}},}$ , haldast saman með skautuðum samgildum efnatengjum. Hins vegar mynda þessar fjölfrumeindajónir jónísk efnasambönd með því að sameinast jónum með gagnstæða hleðslu. Til dæmis inniheldur kalíumnítrat, KNO₃, K⁺ katjónina og fjölfrumeinda ${{\text{NO}}_{3}^{\text{−}}}$ anjónina. Þannig er tengingin í kalíumnítrati jónísk, sem stafar af rafstöðu aðdráttarkrafti milli jónanna K⁺ og ${{\text{NO}}_{3}^{\text{−}},}$ auk þess að vera samgild milli nitur- og súrefnisfrumeindanna í ${{\text{NO}}_{3}^{\text{−}}.}$

Dæmi 7.3

Rafneikvæðni og skautun efnatengja

Skautun efnatengja gegnir mikilvægu hlutverki við að ákvarða byggingu próteina. Notaðu gildin fyrir rafneikvæðni í Mynd 7.8 til að raða eftirfarandi samgildu efnatengjum – sem öll finnast almennt í amínósýrum – í röð vaxandi skautunar. Tilgreindu síðan jákvæðu og neikvæðu frumeindirnar með táknunum δ+ og δ–:

C–H, C–N, C–O, N–H, O–H, S–H

Lausn

Skautun þessara efnatengja eykst eftir því sem algildi mismunarins á rafneikvæðni eykst. Frumeindin með δ– tilnefninguna er sú rafneikvæðari af þeim tveimur. Tafla 7.1 sýnir þessi efnatengi í röð vaxandi skautunar.

Kannaðu þekkingu þína

Sílikon eru fjölliðusambönd sem innihalda meðal annars eftirfarandi gerðir samgildra tengja: Si–O, Si–C, C–H og C–C. Notaðu rafneikvæðnigildin í Mynd 7.8 til að raða efnatengjunum eftir vaxandi skautun og tilgreindu jákvæðu og neikvæðu frumeindirnar með táknunum δ+ og δ–.

Tafla 7.1
Skautun efnatengis og mismunur í rafneikvæðni
Efnatengi	ΔEN	Skautun
C–H	0,4	${\overset{{δ\text{−}}}{\text{C}}\text{−}\overset{{δ\text{+}}}{\text{H}}}$
S–H	0,4	${\overset{{δ\text{−}}}{\text{S}}\text{−}\overset{{δ\text{+}}}{\text{H}}}$
C–N	0,5	${\overset{{δ\text{+}}}{\text{C}}\text{−}\overset{{δ\text{−}}}{\text{N}}}$
N–H	0,9	${\overset{{δ\text{−}}}{\text{N}}\text{−}\overset{{δ\text{+}}}{\text{H}}}$
C–O	1,0	${\overset{{δ\text{+}}}{\text{C}}\text{−}\overset{{δ\text{−}}}{\text{O}}}$
O–H	1,4	${\overset{{δ\text{−}}}{\text{O}}\text{−}\overset{{δ\text{+}}}{\text{H}}}$

Tafla 7.2
Efnatengi	Mismunur í rafneikvæðni	Skautun
C–C	0,0	óskautað
C–H	0,4	${\overset{{δ\text{−}}}{\text{C}}\text{−}\overset{{δ\text{+}}}{\text{H}}}$
Si–C	0,7	${\overset{{δ\text{+}}}{{\text{Si}}}\text{−}\overset{{δ\text{−}}}{\text{C}}}$
Si–O	1,7	${\overset{{δ\text{+}}}{{\text{Si}}}\text{−}\overset{{δ\text{−}}}{\text{O}}}$

Það hvort efnatengi er óskautað eða skautað samgilt ræðst af eiginleika frumeindanna sem mynda efnatengið sem kallast rafneikvæðni (e. electronegativity). Rafneikvæðni er mælikvarði á tilhneigingu frumeindar til að draga að sér rafeindir (eða rafeindaþéttleika). Hún ákvarðar hvernig sameiginlegu rafeindirnar dreifast á milli frumeindanna tveggja í efnatengi. Því sterkara sem aðdráttarkraftur frumeindar er á rafeindir í efnatengjum sínum, þeim mun meiri er rafneikvæðni hennar. Rafeindir í skautuðu samgildu tengi færast í átt að rafneikvæðari frumeindinni; þannig er rafneikvæðari frumeindin sú sem hefur neikvæða hlutahleðslu. Því meiri sem mismunurinn er á rafneikvæðni, þeim mun skautaðri er dreifing rafeindanna og þeim mun stærri eru hlutahleðslur frumeindanna.

Mynd 7.8 sýnir rafneikvæðnigildi frumefnanna eins og þau voru sett fram af einum frægasta efnafræðingi tuttugustu aldar: Linus Pauling (Mynd 7.6). Almennt eykst rafneikvæðni frá vinstri til hægri yfir lotu í lotukerfinu og minnkar niður eftir hóp. Þannig hafa málmleysingjar, sem eru efst til hægri, tilhneigingu til að hafa hæstu rafneikvæðnina, þar sem flúor er rafneikvæðasta frumefnið af öllum (EN = 4,0). Málmar hafa tilhneigingu til að vera minna rafneikvæð frumefni og málmar í hópi 1 hafa lægstu rafneikvæðnina. Athugið að eðalgös eru undanskilin á þessari mynd vegna þess að þessar frumeindir deila yfirleitt ekki rafeindum með öðrum frumeindum þar sem þær hafa fullt gildishvolf. (Þótt eðalgassambönd eins og XeO₂ séu til, geta þau aðeins myndast við erfiðar aðstæður og passa því ekki vel inn í almenna líkanið um rafneikvæðni.)

Námsmarkmið