Rodzaje wiązań chemicznych

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących z jednego lub obu łączących się atomów albo przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na drugi, co prowadzi do utworzenia tzw. pary jonowej.

Wiązania pojedyncze, podwójne i potrójne

Do utworzenia typowego wiązania chemicznego potrzeba minimum dwóch elektronów, zwykle po jednym z każdego łączącego się atomu. Wiązanie, które tworzą dwa elektrony, nazywa się wiązaniem pojedynczym. Gdy uczestniczy w wiązaniu cztery elektrony, mamy do czynienia z wiązaniem podwójnym, które w istocie składa się z dwóch różnych wiązań łączących te same atomy. Gdy dzielonych elektronów jest sześć, mówimy o wiązaniu potrójnym.

Wiązania pojedyncze, podwójne i potrójne występują dość powszechnie. Znacznie rzadziej spotykane są wiązania o większej krotności, jednak istnieje kilkaset związków, w których występują wiązania poczwórne, a także pierwsze doniesienia naukowe o istnieniu wiązań sześciokrotnych.

Delokalizacja wiązań

Wiele wiązań wielokrotnych jest delokalizowanych, co oznacza, że elektrony tworzące je są uwspólniane przez więcej niż dwa atomy. Delokalizacja może przybierać formę rezonansu chemicznego, jak ma to miejsce np. w związkach aromatycznych, lub formę pasm orbitalnych – występujących zwłaszcza w kryształach metali (tzw. wiązanie metaliczne), ale również w niektórych rodzajach polimerów oraz sprzężonych dienów. Obecność pasm zdelokalizowanych orbitali umożliwia powstanie pasm przewodnictwa, które nadają materiałom cechy przewodników elektrycznych.

Podział wiązań ze względu na ich naturę

Podział wiązań ze względu na ich naturę wynika z odpowiedzi na pytanie:
Gdzie znajdują się elektrony uwspólniane w ramach tych wiązań?
Podział ten jest bardzo nieostry i często dyskusyjny w przypadku wielu związków chemicznych, silnie zależy od przyjętych kryteriów, które również są często dyskutowane i stopniowo ewoluują. Dokładną naturę wiązań bada się za pomocą złożonych metod fizykochemicznych, takich jak rentgenografia strukturalna, ESR czy NMR, które umożliwiają tworzenie "map" gęstości elektronowej wokół jąder atomów tworzących związki chemiczne. Ze względu na to, że wiązania chemiczne są zjawiskami kwantowymi, pełny opis ich natury i odmian jest możliwy dopiero na poziomie mechaniki kwantowej.

Wiązanie atomowe (kowalencyjne niespolaryzowane)

Wiązanie atomowe powstaje między dwoma identycznymi atomami (np. dwoma atomami wodoru) lub atomami pierwiastków o różnicy elektroujemności mniejszej niż 0,4 w skali Paulinga. Elektrony uwspólnione tworzące wiązanie są dzielone równomiernie między oboma atomami, dlatego wiązanie jest apolarne – nie wykazuje nierównomierności w rozkładzie ładunku elektrycznego po stronie któregoś z atomów.

Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane

Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane powstaje między dwoma atomami, których wzajemna różnica elektroujemności wynosi więcej niż 0,4, ale mniej niż 1,7 w skali Paulinga. Elektrony uwspólnione tworzące wiązanie są przesunięte w stronę jednego z atomów, co powoduje, że wiązanie wykazuje większy ładunek ujemny po stronie jednego z atomów i mniejszy po stronie drugiego. Powoduje to, że wiązanie to ma cechy małego magnesu (tzw. właściwości dipolowe).

Wiązania kowalencyjne można dodatkowo podzielić na:
- Zwykłe wiązania kowalencyjne, w których uwspólniane elektrony pochodzą w równej liczbie od obu atomów (np. jeśli jeden atom "daje" trzy elektrony, drugi również "daje" trzy).
- Wiązania koordynacyjne, w których tylko jeden atom jest donorem elektronów lub liczba elektronów "danych" przez jeden atom nie jest równa liczbie, którą daje drugi atom.

Wiązania koordynacyjne często mają taki sam charakter jak wiązania kowalencyjne. W wielu związkach, gdzie z rachunku elektronów wynika, że część wiązań jest formalnie kowalencyjna, a inna część koordynacyjna, są one w rzeczywistości całkowicie nieodróżnialne, posiadają taką samą geometrię i energię, co uniemożliwia praktyczne rozróżnienie ich typu. Jednak w wielu związkach chemicznych wiązania koordynacyjne można wyraźnie wskazać, a mają one pewne szczególne właściwości, których zwykłe wiązania kowalencyjne nie posiadają. Przykładem takich wiązań są np. te występujące w kompleksach Pi.

Wiązanie jonowe

Wiązanie jonowe powstaje między dwoma atomami, których wzajemna różnica elektroujemności jest bardzo duża (zazwyczaj większa lub równa 1,7 w skali Paulinga). Zamiast uwspólnienia elektronów, elektrony "przeskakują" na stałe z jednego atomu na drugi. W wyniku tego jeden z atomów ma nadmiar ładunku ujemnego i staje się anionem, a drugi ma nadmiar ładunku dodatniego i staje się kationem. Oba atomy tworzą parę jonową (+/-), która trzyma się razem na zasadzie przyciągania elektrostatycznego i może w sprzyjających warunkach ulegać dysocjacji elektrolitycznej.

Granica, przy której tworzy się wiązanie jonowe, jest bardzo płynna i zależy od wielu czynników. Na przykład, we fluorowodorze (HF) różnica elektroujemności między fluorem a wodorem wynosi aż 1,9, a mimo to wiązanie F-H ma charakter kowalencyjny spolaryzowany.

Wiązanie wodorowe

Wiązanie wodorowe formalnie rzecz biorąc nie jest wiązaniem chemicznym, ponieważ nie powstaje na skutek wymiany elektronów i jest zwykle dużo mniej trwałe niż "prawdziwe" wiązania chemiczne. Niemniej jednak, ten rodzaj oddziaływania również łączy ze sobą atomy. Wiązanie wodorowe polega na "dzieleniu" jednego atomu wodoru między dwa atomy (np. tlenu), tak że atom wodoru jest częściowo połączony z każdym z nich. Można to również ująć w ten sposób, że atom wodoru jest powiązany z oboma atomami wiązaniami "połówkowymi", gdyż jedno normalne pojedyncze (dwuelektronowe) wiązanie wodór-inny atom jest dzielone na dwa słabsze "półwiązania" inny atom-wodór i wodór-inny atom.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Oddziaływania międzycząsteczkowe to siły wiążące atomy i cząsteczki, różniące się od wiązań chemicznych. Główna różnica między oddziaływaniami międzycząsteczkowymi a wiązaniami chemicznymi polega na tym, że nie wiążą one atomów na tyle trwale, aby umożliwić uznanie powstałych struktur za związki chemiczne w pełnym znaczeniu tego terminu. Granica między oddziaływaniami międzycząsteczkowymi a wiązaniami jest jednak płynna. Na przykład, wiązanie wodorowe – jeśli występuje w obrębie jednej cząsteczki, jest często traktowane jako słabe wiązanie chemiczne, natomiast jeśli łączy dwie lub więcej cząsteczek w duże konglomeraty o zmiennym składzie, można je traktować jako oddziaływanie międzycząsteczkowe. Tworzenie się tego rodzaju konglomeratów, powiązanych różnorodnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, jest badane w chemii supramolekularnej.