Wiązania chemiczne i budowa cząsteczki: od zapisu do właściwości

Dział zaczyna się od pytania, co utrzymuje atomy razem. Wiązanie kowalencyjne powstaje wtedy, gdy atomy uwspólniają pary elektronowe. Jeśli oba atomy przyciągają te elektrony jednakowo, wiązanie jest niespolaryzowane, jak w cząsteczce chloru. Jeśli jeden z nich przyciąga je silniej, wspólna para przesuwa się w jego stronę i wiązanie staje się spolaryzowane, jak w chlorowodorze. Miarą tej siły przyciągania jest elektroujemność. Przy bardzo dużej różnicy elektroujemności mówi się już o wiązaniu jonowym, czyli o przyciąganiu kationów i anionów, typowym dla soli w rodzaju chlorku sodu. Osobny przypadek to wiązanie koordynacyjne, w którym całą wspólną parę daje jeden atom, a drugi ją przyjmuje. Metale mają własny rodzaj wiązania: kationy tkwią w chmurze swobodnie poruszających się elektronów, stąd ich przewodnictwo i kowalność.

Druga grupa zagadnień to zapis i przestrzeń. Wzór elektronowy pokazuje kreskami pary wiążące oraz wolne pary elektronowe przy atomach, które je mają. Da się z niego odczytać, ile jest wiązań pojedynczych i wielokrotnych, a także które z nich są typu sigma, a które typu pi: wiązanie pojedyncze jest zawsze typu sigma, a każde następne w wiązaniu podwójnym lub potrójnym jest typu pi. Kształt cząsteczki zależy od tego, w ilu kierunkach wokół atomu centralnego leżą wiązania i wolne pary. Rozkładają się one możliwie daleko od siebie, przy czym wiązanie podwójne albo potrójne liczy się tu jako jeden kierunek. Wolne pary też zajmują miejsce, choć w samym kształcie ich nie widać. Woda i amoniak mają wokół atomu centralnego po cztery takie kierunki, ale w wodzie dwa z nich zajmują wolne pary, a w amoniaku jeden, dlatego cząsteczka wody jest kątowa, a cząsteczka amoniaku piramidalna. Typ hybrydyzacji orbitali atomu centralnego opisuje to samo rozmieszczenie językiem orbitali.

Trzecia grupa łączy budowę z właściwościami. Cząsteczka z wiązaniami spolaryzowanymi nie musi być polarna. W tlenku węgla(IV) dwa jednakowe dipole wiązań leżą na jednej prostej i znoszą się, a w kątowej cząsteczce wody sumują się. Od polarności zależy, jak cząsteczki oddziałują ze sobą. Między wszystkimi cząsteczkami działają słabe oddziaływania dyspersyjne, które rosną razem z wielkością cząsteczki. Cząsteczki polarne przyciągają się dodatkowo jako dipole. Gdy wodór jest związany z fluorem, tlenem albo azotem, cząsteczki mogą tworzyć wiązania wodorowe, zwykle najsilniejsze z tych oddziaływań. Od nich w dużej mierze zależą temperatura wrzenia i topnienia oraz rozpuszczalność: substancja polarna rozpuszcza się zwykle w rozpuszczalniku polarnym, a niepolarna w niepolarnym. Przy rozpuszczaniu soli w wodzie dochodzi jeszcze przyciąganie jonów przez cząsteczki wody, czyli hydratacja.

Ostatnia grupa wiąże rodzaj wiązania z zachowaniem ciał stałych. Kryształy jonowe, kowalencyjne, cząsteczkowe i metaliczne różnią się tym, z czego zbudowana jest sieć i co ją spaja, a stąd biorą się twardość, temperatura topnienia i przewodzenie prądu. Chlorek sodu w stanie stałym nie przewodzi, bo jego jony są unieruchomione w sieci, ale przewodzi po stopieniu i w roztworze, gdy jony mogą się przemieszczać. Metal przewodzi prąd i jako ciało stałe, i jako ciecz, bo jego elektrony poruszają się swobodnie. W zadaniach z tego działu polecenia każą zwykle narysować wzór elektronowy, przypisać substancjom rodzaj wiązania albo oddziaływania, określić typ hybrydyzacji i kształt cząsteczki, rozstrzygnąć, czy cząsteczka jest polarna, albo wyjaśnić, skąd bierze się różnica we właściwościach dwóch substancji.