Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ: ΟΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Μέρος 2ο. Πως ερμηνεύεται η δημιουργία χημικών ενώσεων από τα χημικά στοιχεία

Δήμητρα Σπανού, Χημικός, καθηγήτρια Β/θμιας Εκπαίδευσης με οργανική θέση στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης

ΠΩΣ ΕΡΜΗΝΕΥΕΤΑΙ Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΩΣΗΣ

 ΑΠΌ ΤΗΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ ΚΑΙ ΤΗΝ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ

 ΑΠΌ ΤΗΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, 

Η ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΩΣΗ είναι αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων οι οποίες συμβαίνουν σύμφωνα με τους νόμους της  ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ. Σύμφωνα με την θερμοδυναμική ερμηνεία,  η αιτία για την δημιουργία συνθετότερων σωμάτων από απλούστερα, όπως χημικών ενώσεων από απλά χημικά στοιχεία οφείλονται στην εσωτερική ενέργεια και την ενθαλπία των σωμάτων

το θέμα αυτό έχει αναλυθεί σε άλλα κεφάλαια όπωςΗ ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ . 3ο . Μεταβολές στην Εσωτερική Ενέργεια και Ενθαλπία κατά τον σχηματισμό μορίων, ιοντικών πλεγμάτων, συσσωματώσεων των δομικών μονάδων της Ύλης

από όπου ενδεικτικά μεταφέρω:

Στην προσπάθειά τους τα άτομα να αποκτήσουν δομή ευγενών αερίων που αποτελούν την σταθερότερη ενεργειακά κατάσταση, δημιουργούν τους χημικούς δεσμούς. Η διαδικασία αυτή που οδηγεί σε σώματα διαφορετικά από τα αρχικά, είτε μόρια  -για τον ομοιοπολικό δεσμό- ή ιοντικές ουσίες - κρυστάλλους , για τον ετεροπολικό δεσμό, συνοδεύεται συνήθως από απελευθέρωση ενέργειας,

Αυτό σημαίνει ότι η συνολική  Εσωτερική Ενέργεια των συστατικών που θα σχηματίσουν στην συνέχεια έναν Χημικό Δεσμό, διαφέρει από την Εσωτερική Ενέργεια μετά από τον σχηματισμό αυτού του δεσμού

Προφανώς, κατά την δημιουργία χημικών δεσμών, εκτός από την μεταβολή στο σύνολο της εσωτερικής τους ενέργειας,  η θέση των ατόμων μεταξύ τους μεταβάλλεται όπως και ο συνολικός όγκος που καταλαμβάνουν μεμονωμένα και αφού σχηματίσουν δεσμό. Υπάρχει δηλαδή ΔV και ο δεύτερος όρος της ενθαλπίας PΔV είναι προφανώς διάφορος από το μηδεν.

 Για αντίστοιχους λόγους έχουμε μεταβολή όχι μόνο στην Εσωτερική Ενέργεια αλλά και στην Ενθαλπία στην Ενθαλπία κατά τη δημιουργία ιοντικού πλέγματος 

Από ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ 

Τι είναι ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να αποσπαστεί το ασθενέσθερα συγκρατούμενο ηλεκτρόνιο σε άτομο ή ιόν

• Τα ηλεκτρόνια σθένους καθορίζουν την συμπεριφορά το ατόμου στις χημικές αντιδράσεις και την δημιουργία χημικών δεσμών
•  

Η δημιουργία μιας ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΩΣΗΣ είναι η τάση των σωματιδίων (άτομα ιόντα συσσωματώματα κ..λ.π.) να αποκτήσουν δομή κατά την οποία η τροχιακή ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΡΟΠΗ θα ελαχιστοποιείται γιατί έτσι έχουν την μεγαλύτερη σταθερότητα

Άτομα που διαθέτουν στην εξωτερική στοιβάδα μονήρη (αζευγάρωτα ηλεκτρόνια) τείνουν να αποκτήσουν δομή ευγενούς αερίου (που έχει συμπληρωμένες στοιβάδες) ή όσο γίνεται πιο κοντά σε αυτή.

Με ηλεκτρόνια της στοιβάδας σθένους του,  κάθε ατόμου συμμετέχει στη δημιουργία μορίου είτε με ομοιοπολικό ή με ιοντικό δεσμό

•  
• Αυτό συμβαίνει με δύο τρόπους,ως εξής:
• Α. Με ΟΜΟΙΟΠΟΛΟΚΟ ΔΕΣΜΟ  Συμπλήρωση  των μονήρων τροχιακών  με σύζευξη των τροχιακών των δύο ατόμων σε μοριακό τροχιακό,  κι αυτό εάν
• υπάρχει πλησίον άλλο άτομο με μικρή διαφορά στην ενέργεια ιοντισμού και την ηλεκτροσυγγένεια 
• Το μοριακό τροχιακό ανήκει και στα δύο προσκείμενα άτομα και  συμπληρωμένο είναι με   μηδενική η τροχιακή στροφορμή για μεγαλύτερη σταθερότητα
• Αυτός είναι ομοιοπολικός δεσμός
• Οι ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζουν ζεύγη ηλεκτρονίων σθένους με μηδενικό spin και τροχιακές ροπές , άρα μηδενικές μαγνητικές ροπές
•  
• Β. ΜΕ ΕΤΕΡΟΠΟΛΙΚΟ  ή ΙΟΝΤΙΚΟ ΔΕΣΜΟ
• Με την  απομάκρυνση μη συζευγμένων ηλεκτρόνιων της εξωτερικής τους στοβάδας,(ΙΟΝΤΑ και ΙΟΝΤΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ)

Οι  Ιοντικοί δεσμοί έχουν συνήθως μηδενική μαγνητική ροπή εφόσος και στα κατιόντα και στα ανιόντα η ηλεκτρονική δομή μιμείται αυτήν των ευγενών αερίων

Α. ΕΠΕΞΗΓΗΣΕΙΣ: Σχετικά με την κατανομή των ηλεκτρονίων στο άτομο

Τα ηλεκτρόνια που κατανέμονται σε ιδιες  υποστοιβάδων (s με 2, p με 6, d με 10, f με 14 ηλεκτρόνια ) τοποθετούνται έτσι ώστε, σε κάθε υποστοιβάδα, ώστε να συμπληρώνονται πρώτα αυτά με την θετική φορά του spin (και επομένως παράλληλλα), ώστε να υπάρχει η μεγαλύτερη τιμή του spin (θετικές τιμές) που είναι προϋπόθεση για την ευσταθή ισορροπία. Στην συνέχεια τα τροχιακά πληρώνονται με τα ηλεκτρόνια αντιπαράλληλου spin  (αρνητικές τιμές) Αυτός είναι ο κανόνας του Hund 

Τα τελευταία ηλεκτρόνια τοποθετούνται στην εξωτερική στοιβάδα ή εξωτερικό κέλυφος

Η εξωτερική στοιβάδα ή εξωτερικό κέλυφος ή στοιβάδα σθένους διαθέτει από 1 έως 8 ηλεκτρόνια, εκτός από την πρώτη που διαθέτει από 1 έως 2

Τα γεμάτα εσωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων έχουν συνολική μαγνητική ροπή από περιστροφή ηλεκτρονίων ίση με μηδέν αφού όλα τα ηλεκτρόνια είναι με αντίθετες περιστροφές. Αυτά είναι τα άτομα των ευγενών αερίων. Έτσι, 

• ΟΙ ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΕΛΥΦΩΝ ΣΤΑ ΑΤΟΜΑ:
•  ΕΠΙΧΕΙΡΟΥΝ ΝΑ ΓΙΝΟΥΝ ΚΑΤΑ ΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΕΥΓΕΝΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (Ατομα με συμπληρωμένα τροχιακά που έχουν την ελάχιστη μαγνητική ροπή και κάθε παρέμβαση και δεν χρειάζονται προσθήκη ή αφαίρεση ηλεκτρονίων που θα αυξήσουν την ροπή και την ενέργεια, επομένως δεν κάνουν χημικούς δεσμούς)

•  
• Β. ΕΠΕΞΗΓΗΣΕΙΣ
• ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΤΟΜΩΝ ΣΕ ΙΟΝΤΑ (κατιόντα και ανιόντα)

• Η μετατροπή ατόμων σε ιόντα και η δημιουργία ιοντικού δεσμού εξαρτάται
• 1. Από το μέγεθος της Ενέργειας Ιοντισμού ( I _E) που είναι η Ελεύθερη Ενθαλπία Ιονισμού που περιγράφει την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο άτομο ή μερικώς ιονισμένο. Για ηλεκτρόνια δίνεται σε eV/ άτομο   A + I _E → A ⁺ + e ^- .
• 2. από την ηλεκτροσυγγένεια είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται (ή απορροφάται) κατά την σύνδεση ενός ηλεκτρονίου σε ένα ελεύθερο άτομο στην θεμελιώδη κατάσταση για να μετατραπεί σε αρνητικό ιόν.   Για ηλεκτρόνια δίνεται σε eV/ άτομο    A +  e → A - + ε

•  
• ΑΠΟ  ΤΗΝ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ
•  
• τι είναι το ΑΤΟΜΙΚΟ ΤΡΟΧΙΑΚΟ
  • H Κυματοσυναρτηση που προκύπτει από την επίλυση της εξίσωσης Schrondinger που προσδιορίζει την περιοχή του τρισδιάστατου χώρου στην οποία υπάρχει πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου που έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια. Κάθε ηλεκτρόνιο του ατόμου βρίσκεται σε συγκεκριμένο τροχιακό. 
  • Σε πολλές περιπτώσεις, τα ατομικά τροχιακά επικαλύπτονται και αυτό δημιουργεί νέα μοριακά που ονομάζονται τροχιακά δεσμών ή δεσμικά τροχιακά

  • Η θεωρία της κυματοειδούς φύσης των ηλεκτρονίων του  Schrodinger που δίνουν την χωρική κατανομή του φορτίου του ηλεκτρονίου που θεωρείται σαν ηλεκτρικό κύμα,

     αλλά και η στατιστκή ερμηνεία του Max Born που δίνει την πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο - σωματίδιο σε διάφορα σημεία του χώρου στον οποίο  κινείται, 

    Αυτά δίνουν μια νέα εικόνα για την δομή του ατόμου, την εικόνα  των ατομικών τροχιακών

  •  
  • Η ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΩΣΗ προκύπτει όταν δύο ή περισσότερα άτομα συνδυάζονται χημικά για να σχηματίσουν μόριο, οπότε   ατομικά τροχιακά τους  συνδυάζονται επίσης ώστε να σχηματίσουν μοριακά τροχιακά και οι θέσεις των ηλεκτρονίων στα άτομα επίσης καταλαμβάνονται ανάλογα.

  • Τα μοριακά τροχιακά είναι μια κατά προσέγγιση επίλυση της εξίσωσης Schrondinger για τα ηλεκτρόνια 

  • Οι γραμμικοί συνδυασμοί ατομικών τροχιακών ή τα αθροίσματα ή οι διαφορές τους παρέχουν λύσεις στις εξισώσεις  Hartee- Fock που αντιστοιχούν στην προσέγγιση ανεξάρτητων σωματιδίων της μοριακής εξίσωσης  Schrondinger.

• ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΡΙΑΚΩΝ ΤΡΟΧΙΑΚΩΝ

  Η κατασκευή των μοριακών τροχιακών από ατομικά βασίζεται στην αρχή της υπέρθεσης που είναι ο συνδυασμος ατομικών τροχιακών για την δημιουργία μοριακών τροχιακών. 

  • Τα μοριακά τροχιακά επιτρέπονται εάν οι συμμετρίες μεταξύ των ατομικών τροχιακών είναι συμβατές μεταξύ τους, δηλαδή εάν υπάρχει αλληλοεπικάλυψη των ατομικών τροχιακών γιατί αυτό δείχνει πόσο αλληλοεπιδρούν τα ατομικά τροχιακά μεταξύ τους κυρίως εκείνα που είναι παραπλήσια ενεργειακά 
  • 
  • Δήμητρα Σπανού
  •  

ΠΗΓΕΣ

Νόμος της σταθερότητας - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ: 5ο μέρος. Μετατροπή ατόμων σε ιόντα .  Ο ρόλος της  μαγνητική  ροπή των ηλεκτρονίων

Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ . 3ο . Μεταβολές στην Εσωτερική Ενέργεια και Ενθαλπία κατά τον σχηματισμό μορίων, ιοντικών πλεγμάτων, συσσωματώσεων των δομικών μονάδων της Ύλης

Μοριακό τροχιακό - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)