Efnatengi
Eins og kom fram í hlutanum um atóm þá hafa frumefni tilhneiginu til að tengjast öðrum frumefnum með efnatengjum. Efnatengi er tilkomið vegna rafkrafta sem myndast á milli atóma. Einfaldast er að sjá fyrir sér að rafeindir í atómi hafi aðdráttarkraft við róteindir annars atóms en fráhrindikraft við rafeindir þess. Þegar þessir tveir kraftar eru í jafnvægi þá hefur efnatengi myndast. Þetta er þó ekki svona einfalt í raun, en dugar okkur á þessu stigi.
Til eru þrjár megingerðir af efnatengjum á milli atóma. Þau eru: jónatengi, skautuð samgild tengi og samgild tengi. Það sem skilur þau að er hvernig efnatengin myndast og rafdrægnimunur á milli atóma í efnasambandinu.
Rafdrægni og rafdrægnimunur
Öll frumefnin í lotukerfinu hafa ákveðna tilhneigingu til að draga til sín rafeindir. Þessi tilhneiging er kölluð rafdrægni atómanna. Það er tiltölulega einfalt að finna rafdrægnimuninn milli tveggja atóma í efnatengi. Það þarf einungis að finna rafdrægni þeirra atóma sem er verið að skoða og draga lægra gildið frá því hærra, eins og sést í sýnidæmi hér að neðan. Rafdrægnigildin má finna í töflu.
Sýnidæmi 1
Hver er rafdrægnimunur í efnatengjum eftirfarandi efnasambanda? a) NaCl og b) CaF2
a) Finnum fyrst rafdrægni frumefnanna úr rafdrægnitöflu.
Rafdrægni Na = 0,9 og rafdrægni Cl = 3,0.
Rafdrægnimunur er því = 3,0 – 0,9 = 2,1.
b) Sama gert og í lið a)
Rafdrægni Ca = 1,0 og rafdrægni F = 4,0.
Athugið að ekki skal nota fjölda hvers frumefnis í reikningum. Rafdrægnimunur er því = 4,0 – 1,0 = 3,0
Tilhneiging efnasambanda til að mynda jónatengi eykst með vaxandi rafdrægnimun. Almennt er litið á að efnatengi þar sem rafdrægnimunur er 1.7 eða hærri sé jónatengi. Þetta er þó ekki algilt en telst góður viðmiðunarpunktur. Talað er um efnatengi með rafdrægnimun frá 0.1 – 1.6 sem skautuð samgild tengi og ef rafdrægnimunur er 0.0-0.1 þá er efnatengið samgilt tengi.
Jónatengi
Við skulum byrja á að skoða jónatengi. Þessi efnatengi myndast á milli atóma sem hafa jónast. Jónunin á sér almennt stað þegar að tvö atóm með nægan mun á rafdrægni sinni rekast á. Við það rífur atómið með hærri rafdrægni rafeind af því atómi sem hefur lægri rafdrægni. Dæmi um slíkt er efnahvarf natríums og klórs eins og sést hér að neðan.
Þegar rafeindirnar hafa flust á milli og myndað jónirnar þá myndast rafkraftur á milli jákvæðu og neikvæðu jónanna. Þessi rafkraftur myndar síðan efnatengið á milli þeirra.
Annað séreinkenni jónatengja er að þau geta einungis verið til staðar á föstu formi eða vökva formi. Ekki er hægt að hafa efnasamband á gasformi með jónatengi. Ástæðan er sú að til að jónatengi séu stöðug þurfa atómin að mynda einskonar kristalgrind þar sem jákvæð og neikvæð atóm eru á víxl. Þessi kristalgrind getur haldist að einhverju leyti þegar jónaefni er brætt, en þau hrökkva í sundur sé jónaefnið hitað nægilega mikið.
Athugið að til að stöðugt jónasamband geti myndast þarf hlutfall jónahleðslanna einnig alltaf að vera núll. Þ.e. alltaf sami fjöldi af jákvæðri hleðslu og neikvæðri hleðslu. Þessi staðreynd gefur okkur einfalda leið til að átta okkur á hlutföllum atóma í jónaefnum. Ef við skoðum t.d magnesíumklóríð þá sjáum við að magnesíumjón hefur hleðsluna 2+ en klórjónir hafa hleðsluna 1-. Þetta þýðir að magnesíumklóríð þarf að vera gert úr einum hluta Mg og tveim hlutum Cl til að haldast stöðugt. Þetta hlutfall er kallað reynsluformúla jónaefnisins og sýnidæmið hér að neðan sýna hvernig má finna reynsluformúlu jónaefna sem mynduð eru úr ýmsum frumefnum.
Sýnidæmi 2
Samgild tengi
Samgild tengi eru frábrugðin jónatengjum á þann máta að þau deila með sér rafeindum til að mynda efnatengi í stað þess að mynda jónir. Afleiðingin af þessu er sú að mun fleiri möguleikar á tengjamyndunum eru til staðar hjá efnasamböndum sem eru mynduð úr samgildum tengjum. Efnasambönd sem myndast með samgildum tengjum eru kallaðar sameindir.
Sameindir geta verið á föstu formi, sem vökvi og einnig sem gastegundir.
Sameindir sem gerðar eru úr fyrstu 20 frumefnunum þurfa einnig að uppfylla átturegluna, en framkvæmdin er örlítið frábrugðin þeirri sem nýtt er í tenglsum við jónaefni. Þar sem atóm í sameind geta deilt með sér rafeindum þarf að líta til þess hvað atómin skynja í umhverfi sýnu. Með því að beita punktformúlum getum við á auðveldan máta séð það.
Punktformúlur
Punktformúlur er leið til að sýna þær rafeindir sem eru staðsettar yst á atómi, þ.e. gildisrafeindir atómsins. Þær eru skrifaðar þannig að fjöldi gildisrafeinda er táknaður sem punktar umhverfis frumefnatákn atómsins. Punktanir raðast þó þannig að fyrst setum við stakar rafeindir í kringum atómið þar til við höfum fjórar og síðan förum við að para rafeindirnar. Þannig er C með fjórar stakar rafeindir en O með tvær stakar og tvö pör.
Dæmi um punktformúlur. Hér eru punktformúlur fyrir magnesíum sem hefur 2 gildisrafeindir. Nitur sem hefur 5 gildisrafeindir og flúor sem hefur 7 gildisrafeindir.
Þegar kanna á samsetningu á stöðugri sameind þar að teikna punktfomúlu sameindarinnar þannig að öll atóm sameindarinnar uppfylli átturegluna, þ.e. hafi átta rafeindur umhverfis sig að vetni undanskildu ( sem þarf bara tvær rafeindir ). T.d. myndi efnasamband niturs og flúors einungis vera stöðugt ef þrjú flúoratóm deildu stöku rafeind sinni með stöku rafeindum nituratóms eins og sést á myndinni. Þar sést líka hvernig stærri sameindir eins og própanól uppfylla þessa áttureglu.
Til viðbótar við þetta geta síðan tvö eða þrjú pör af rafeindum deilt sér á milli atóma. Í slíkum tilfellum er talað um tví og þrí tengi. Sem dæmi um slík efnasambönd má nefna súrefnissameindir og nitursameindir. Myndun þeirra er sýnd hér að neðan en þar má sjá að tvö rafeindapör deila sér á milli súrefnisatóma í súrefnissameindinni og þrjú sameindapör deila sér á milli nituratómanna í nitursameindinni.
Málmtengi
Þriðja tengjagerðin sem er til staðar á milli atóma er kölluð málmtengi. En málmtengi eru þó frábrugðin fyrri tengjagerðunum á þann máta að ekki er um eiginlegt efnatengi að ræða á milli málmatómanna, heldur mynda málmatómin hálfgert svið sem heldur þeim saman í einni heild. Þetta svið myndast vegna þess að rafeindir í málmatómum eru afar laust tengdar atómum sínum og geta því sveimað því sem næst frjálsar á milli málmatóma.
Þessi sérstaka hegðun rafeinda í málmum gefur þeim öllum fimm áberandi eiginleika sem eru:
1. Góð rafleiðni
Rafstraumur er ekkert annað en flæði rafeinda. Þar sem rafeindirnar geta sveimað sem næst frjálsar á milli málmatóma skýrir það hvers vegna málmar hafa almennt góða rafleiðni.
2. Góð varmaleiðni
Þegar atóm hitna þá eykst hreyfiorka þeirra. Hreyfiorka flyst almennt á milli atóma (og sameinda) með árekstrum þannig að hluti af hreyfiorku orkuríkara atómsins (eða sameindarinnar) flyst yfir á orkulægra atómið.
Þar sem engin eiginleg efnatengi eru til staðar í málmum þá liggja atómin afar þétt saman sem þýðir að árekstrar eru afar örir. Þannig að þegar að málmatóm fær aukna hreyfiorku vegna hita, þá skilar atómið hluta hreyfiorkunar strax til næsta atóms við hlið sér og svo koll af kolli. Af þeim sökum á hiti auðvelt með að flæða í gegnum málm.
3. Sveigjanlegir
Málm má líkja við sand í poka, þar sem sandurinn eru málmatómin og pokinn er í hlutverki rafsviðsins sem heldur mámatómunum saman. Það mætti hnoða pokann og móta á margvíslegan máta án þess að pokinn hrökkvi í sundur.
Þar sem ekki eru föst efnatengi á milli atóma í málm geta atómin, eins og sandur, breytt um staðsetningu sín á milli án þess að eitthvað brotni. Þetta er það sem gefur málmi sveigjanleika sinn.
4. Geta haft gljáa
Gljái er tilkomin vegna eiginleika yfirborðs til að endurvarpa ljósi á samfelldan máta. Hrjúft yfirborð endurvarpar ljósi í tilviljunarkenndar áttir sem þýðir að ljósstyrkur frá ljósgjafa dvínar mikið við endurvarpið og það missir allan fókus. Afar slétt yfirborð endurvarpar hinsvegar nær öllu ljósinu á samfelldan máta þannig að ljósstyrkur ljósgjafans og stefna ljósbylgnanna haldast eftir endurvarpið.
Vegna þess hve málmar eru sveigjanlegir þá er auðvelt að slétta úr yfirborði þeirra. Af þeim sökum er hægt að pússa alla málma til að gefa þeim gljáa. Þegar málmar eru pússaðir er verið að slétta úr yfirborði þeirra allt niður á atómskala og því minni “fjöll og dalir” sem eru á yfirborðinu, þeim mun betra endurvarp má fá. Það er að segja, því sléttara sem yfirborð verður, þeim mun betur getur það endurvarpað ljósi.
5. Hár eðlismassi.
Þar sem málmaatóm liggja almennt frekar þétt saman þá er meiri massi staðsetur á rúmmálseiningu en gengur og gerist hjá efnasamböndum. Af þeim sökum er eðlismassi málma almennt hærri en annara frumefna og efnasambanda. Sem dæmi þá er eðlismassi járns 7,87 kg/L og gulls 19,32 kg/L. Til samanburðar þá er eðlismassi vatns ekki nema 1,0 kg/L
Veik tengi á milli sameinda
Til eru nokkrar gerðir af tengjum sem myndast á milli sameinda. í þessum hluta ætlum við að fjalla um tvær slíkar, en þær eru Van der Walls tengi og vetnistengi.
Vetnistengi.
Vetnistengi eru afar mikilvæg fyrir myndun lífs á jörðu. Ef þeirra nyti ekki við væri suðumark vatns mun lægra og nær ekkert fljótandi vatn væri að finna á jörðinni. Vetnistengi myndast einungis á milli sameinda sem hafa skautun og uppfylla það að hafa annars vegar vetni og hins vegar nitur, súrefni eða flúor í sameindinni. Styrkur þeirra er þó einungis um það bil 1/10 af styrk hefðbundina efnatengja.
Vetnistengin myndast á milli sameindanna þannig að vetni í einni sameind tengist við nitur, súrefni eða flúor í annari sameind. Dæmi um sameindir sem hafa vetnistengi á milli sín er HF, H2O og NH3.
Vetnistengi auka stöðugleika þeirra efnasambanda þar sem þeirra nýtur við. T.d. væri bræðslumark og suðumark vatns mun lægra ef ekki væri fyrir áhrifin af vetnistengjum.
Vetnistengi eru einnig ástæða þess að það kostar svo mikla orku að bræða og sjóða vatn. Hjá ís hefur hver vatnssameind fjögur vetnistengi umhverfis sig, þegar ísinn bráðnar þarf a.m.k eitt vetnistengi að rofna fyrir hverja vatnssameind og slíkt kallar á orku. Þegar vatn umbreytist síðan í vatnsgufu þarf að rjúfa öll vetnistengin á milli vatnssameinda sem kostar töluvert meiri orku en þegar ís bráðnar. Þetta er síðan endurspeglað í því magni af orku sem þarf til að bræða ís (334 kJ/Kg) og að sjóða vatn (2.230 kJ/Kg).
Van der Walls tengi
Van der Walls tengi geta myndast á milli atóma með lítin sem engan rafdrægnimun en styrkur Van der Walls tengja er afar lítill eða um 1/100 af styrk efnatengja.
Dæmi um slíkt eru tvíatóma gastegundir s.s eins og vetni. Þar myndast Van der Walls tengi í stutta stund, rétt á meðan að vetnissameindir eru nálægt hvor annari. Við þær aðstæður þá “hliðrast” hleðsla atómanna örlítið sem myndar Van der Walls tengið. Þegar vatnissameindir fjarlægjast svo frá hvor annari þá hverfur þessi hleðsluhliðrun aftur og Van der Walls tengið hverfur. Afleiðingarnar af þessu eru meðal annars þær að gas hagar sér ekki eins og kjörgas, sem við skoðum nánar síðar.
Van der Walls tengi myndast einnig á milli vetnisatóma í lífrænum efnasamböndum. Áhrif þeirra við slíkar aðstæður eru töluvert meiri þar sem mun meira af vetnisatómum eru staðsett nálægt hvort öðru og Van der Walls tengin því varanlegri.
Afleiðingin af tilvist vetnistengja og Van der Walls tengja eru meðal annar þau að vatn og olía blandast illa saman. Vatn og önnur vatnsækin efnasambönd reyna að haldast saman til að geta myndað hvað mest af vetnistengjum og öðrum sambærilegum tengjum, en á sama tíma reyna lífræn efni að hópa sér saman til að mynda sem mest af Van der Walls tengjum.