Mitä eroa on ionisidoksilla ja kovalenttisilla sidoksilla
Jokaista ympärilläsi olevaa ainetta pitävät yhdessä kemialliset sidokset. Joskus kemialliset sidokset katkeavat, esimerkiksi kemiallisen reaktion aikana, jolloin atomit sitoutuvat uudelleen muodostaen erilaisia molekyylejä. Energiaa vapautuu aina sidosten synnyttämiseen ja vastaavasti energiaa tarvitaan aina sidosten katkaisemiseen.
Kemiallisia sidoksia on kahta päätyyppiä: ionisidoksia ja kovalenttisia sidoksia.
Mitä ovat ionisidokset ja kovalenttiset sidokset?
Atomit sitoutuvat toisiinsa muodostaakseen yhdisteitä, koska ne saavuttavat näin alhaisemmat energiat kuin mitä niillä on yksittäisinä atomeina, ja niistä tulee näin vakaampia. Energian säilymislain mukaan uutta kemiallista sidosta muodostettaessa kemiallisessa reaktiossa vapautuu energiamäärä (yleensä lämpönä), joka on lähes yhtä suuri kuin tuotteiden ja reaktanttien välille varastoituneiden kemiallisten energiamäärien erotus. Tätä systeemin varastoitunutta kemiallista energiaa eli lämpösisältöä kutsutaan systeemin entalpiaksi.
Ionisidos muodostuu, kun kaksi vastakkaisia varauksia omaavaa ionia vaihtaa elektroneja keskenään, missä ionilla tarkoitetaan atomia, joka on joko menettänyt tai saanut elektronin. Ioneilla, jotka menettävät yhden tai useamman elektronin, on enemmän protoneja kuin elektroneja, mikä tarkoittaa, että niillä on positiivinen varaus. Tällaisia ioneja kutsutaan kationeiksi (metallit). Toisaalta elektronien saaminen antaa ionille negatiivisen varauksen. Kemistit kutsuvat tällaisia ioneja anioneiksi (epämetalleiksi).
Ioniset yhdisteet ovat tyypillisesti neutraaleja. Siksi ionit yhdistyvät tavoilla, jotka neutralisoivat niiden varaukset.
Oppikirjaesimerkki ionisesta yhdisteestä on natriumkloridi, joka tunnetaan myös ruokasuolana. Yksittäisellä natriumatomilla on 11 protonia ja 11 elektronia, mutta vain yksi elektroni sen ulkokuoressa (tai valenssikuoressa). Kloorissa on 17 protonia ja 17 elektronia, ja sen ulkokuoressa on 7 elektronia. Kun nämä kaksi atomia reagoivat, natrium (sähköpositiivinen) menettää valenssielektroninsa kloorille (elektronegatiivinen). Nyt syntyvässä kiderakenteessa kutakin natriumionia ympäröi kuusi kloridi-ionia ja kutakin kloridi-ionia ympäröi kuusi natriumionia. Lisäksi jokaisella ionilla on kokonainen elektronikuori, joka vastaa lähintä inerttiä kaasua; neon natriumionille, argon kloridi-ionille
Kovalenttiset sidokset muodostuvat, kun atomit tai ionit jakavat elektroneja siten, että niiden ulommat kuoret tulevat varatuiksi. Kovalenttiset sidokset, joita kutsutaan myös molekyylisidoksiksi, muodostuvat vain sellaisten epämetalliatomien välille, joiden elektronegatiivisuusarvo on sama tai suhteellisen lähellä sitä. Elektronegatiivisuus, jota merkitään symbolilla χ, on kemiallinen ominaisuus, joka kuvaa atomin taipumusta vetää jaettua elektroniparia (eli elektronitiheyttä) puoleensa.
Atomin muodostamien kovalenttisten sidosten määrää kutsutaan atomin valenssiksi. Tämä ominaisuus edustaa niitä atomin elektroneja, jotka voivat osallistua kemiallisten sidosten muodostamiseen muiden atomien kanssa. Ne ovat kauimpana ytimestä olevat elektronit.
Erin esimerkki kovalenttisesta sidoksesta on vetymolekyyli, joka muodostuu kahdesta vetyatomista, joilla kummallakin on yksi elektroni ulkokuorensa sisällä. Sidoksen muodostuminen vapauttaa lämpöä; siksi se on eksoterminen. Vety-molekyylin muodostumisen aikana vapautuva lämpö, joka tunnetaan myös nimellä vakioentalpiamuutos (ΔH°), on -435 kJ moolia kohti. Käänteinen prosessi, H-H-sidoksen katkaiseminen, vaatii 435 kJ moolia kohti, ja tätä suuruutta kutsutaan sidoksen lujuudeksi.
Toinen klassinen esimerkki kovalenttisesta sidoksesta on vetykloridi (HCl), joka on vetyhalogenidi. Klooriatomin ulkokuoressa on 7 atomia, kun taas vedyn ulkokuoressa on 1 elektroni. Molemmat yhdistyvät täydellisesti niin, että kumpikin atomi täyttää valenssikuorensa, jolloin muodostuu erittäin stabiili molekyyli. Nyt HCl-molekyyli ei enää reagoi muiden kloori- tai vetyatomien kanssa.
Ionisten ja kovalenttisten sidosten erot
- Kovalenttiset sidokset ovat orgaanisessa kemiassa paljon yleisempiä kuin ionisidokset.
- Kovalenttisissa sidoksissa atomit jakavat elektroneja, kun taas ionisidoksissa atomit siirtävät elektroneja.
- Kovalenttisten sidosten reaktiokomponentit ovat sähköisesti neutraaleja, kun taas ionisidoksissa ne ovat molemmat varautuneita. Tämä selittää, miksi natriumkloridi (suola) johtaa sähköä liuetessaan – sen komponentit ovat varautuneita.
- Ionisidokset ovat paljon vahvempia kuin kovalenttiset sidokset.
- Kovalenttiset sidokset ovat luonnossa paljon yleisempiä kuin ionisidokset. Esimerkiksi useimmat elävien olentojen molekyylit ovat kovalenttisesti sidottuja.
- Kovalenttiset sidokset voivat muodostua samojen alkuaineiden atomien välille (esim. H2). Ionisidokset eivät kuitenkaan pysty tähän.
- Kovalenttiset sidokset muodostuvat kahden epämetallin välille, kun taas ionisidokset muodostuvat metallin ja epämetallin välille.
- Kovalenttisin sidoksin muodostetuilla molekyyleillä on matala sulamispiste, kun taas ionisidoksin muodostetuilla molekyyleillä on korkea sulamispiste. Sama suhde pätee myös kiehumispisteeseen.
- Huoneenlämmössä kovalenttisesti sidotut molekyylit ovat valtaosassa tapauksista nesteitä tai kaasuja, kun taas ioniset yhdisteet ovat kiinteitä.
Ionisten ja kovalenttisten sidosten yhtäläisyydet
- Kummatkin sidostyypit johtavat stabiilien kemiallisten yhdisteiden muodostumiseen.
- Ionisten ja kovalenttisten sidosten syntyyn tarvitaan eksotermisiä (eli lämpöä luovuttavia) reaktioita.
- Valenssielektronit ovat mukana molemmissa sidosprosesseissa.
- Ei ole väliä, muodostuuko molekyyli ionisen vai kovalenttisen sidoksen kautta sen sähköisen varauksen kannalta: lopputulos on aina sähköisesti neutraali.