Veszprémi Tamás

Általános kémia

Negyedik, átdolgozott kiadás

4. kiad.

11.4.2. Hol az az atom és hol van az a kötés?

Rendben van, most már el tudjuk fogadni, hogy valahogy rögzítünk egy elektronsűrűség-határt, mely az egyes atomokra „ésszerű” méretet ad. Mondjuk egy „kellemes” méret a 11.46–47. ábrák kínálatából a vízre az f-nek, az etil-alkoholra az e-nek megfelelő. Nem mintha bármiféle fizikai jelenség vagy törvény ezt követelné meg, csupán azért rokonszenves, mert ez hasonlít a 11.43. ábra legalsó, ún. Stuart-modelljéhez.

A következő kérdések ebből a választásból is eredhetnek. Amennyiben az elektronsűrűségek átlapolódnak és összefolynak, van-e értelme egyáltalán atomokról beszélni egy adott molekulán belül? Meg tudjuk-e mondani, hogy az egyes atomoknak hol van vége a molekulában? Ez azért is fontos kérdés, mert a két atom közös határa talán a kémiai kötésre is mond valami okosat.

11.48. ábra. A BH3-molekula elektronsűrűsége

Ahhoz, hogy erre a kérdésre válaszoljunk, vizsgáljuk meg kicsit részletesebben egy molekula elektronsűrűség-eloszlását! A 11.48. ábrán a BH3-molekula elektronsűrűség eloszlását ábrázoltuk, az előzőktől kissé eltérő módon. Most ugyanis nem a szubjektíven választott sűrűséghatár érdekel bennünket, hanem a valódi, mérhető és számítható elektronsűrűség-eloszlás. Az ábrán az egyes pontok az elektronsűrűséggel arányos mértékben emelkednek ki a síkból. Látható, hogy az elektronsűrűségnek maximuma valóban csak az atommagokban van, valamint az, hogy a hidrogénatomok kis csúcsaihoz képest a bór elektronsűrűsége nagyon nagy, rá se fér az ábrára. A nyíl egy nagyon érdekes pontra, egy nyeregpontra mutat. Ez a két csúcs közötti hágó legmélyebb pontja, úgy nevezzük, hogy a kötés kritikus pontja. Ilyen található a bór és minden egyes hidrogén között, de nem található a hidrogének között.

Képzeljük el, hogy valahol a molekula közeléből elindulva keressük az atommagokat. Mivel tudjuk, hogy az elektronsűrűség maximuma felé kell haladnunk, keresési stratégiánk az, hogy mindig abba az irányba lépegetünk, amerre az elektronsűrűség a legmeredekebben nő. Így előbbutóbb elérjük az atommagokat. Ha mondjuk a második hidrogén közeléből indulunk, akkor a második hidrogén atommagját, ha a bór közeléből, akkor a bórét. A 11.49. ábra a lehetséges utakat mutatja a BH3 síkjának különböző pontjaiból elindulva.. Ahogyan az várható, az esetek túlnyomó többségében az ilyen utak valamelyik atommagban végződnek. Van azonban néhány speciális út, amely nem az atommagban, hanem egy kötés kritikus pontjában ér véget. Ha most még azt is elképzeljük, hogy utak nem csak a BH3 síkjából indulhatnak, hanem a tér bármely tetszőleges pontjából, rájövünk, hogy a kötés kritikus pontjába futó utak a térben egy felületet definiálnak, mely a két szomszédos atomot szétválasztja.

11.49. ábra. Elektronsűrűség-ösvények a BH3-molekulában. A kékkel jelölt ösvények nem az atommagba futnak, hanem egy kritikus pontba (fekete pötty). Ezek az utak a térben egy felületet definiálnak, mely az egyes atomokat elkülöníti egymástól. A pirossal jelölt utak a kritikus pontból futnak az atommagokba. Ezek egyediek, és megfeleltethetők a kémiai kötéseknek

Megtaláltuk tehát az atomok határát a molekulában! Elég furcsa határok, melyek a 11.50. ábra tanúsága szerint igencsak meghökkentő alakzatokat hoznak létre. Behorpadások, kidudorodások teszik változatossá, melyeken az atomok eredeti gömbszimmetriájának nyomát sem leljük. De ha mindenáron atomokat keresünk egy molekulában – hát most aztán megtaláltuk őket!

11.50. ábra. Az atomok alakja. Az atomok közötti határfelületet piros színnel jelöltük. Az atomok más atommal nem határos oldala természetesen a végtelenig nyúlik, de egy adott elektronsűrűségnél levágtuk.

A kötés kritikus pontjának van még egy érdekessége. Ez az egyetlen olyan pont a térben, melyből egyszerre két atommag felé vezet út. Mindkét irányba a hágón, vagyis a környezetéhez képest maximális elektronsűrűségű pontokban vezet az út. Mondhatjuk, hogy a két atom között ez az út jelenti a maximális elektronsűrűséget. Ennek alapján levonható a következtetés, hogy a kovalens kötés létezésének szükséges és elégséges feltétele a két szóban forgó atom közötti kritikus pont jelenléte. Ez egyenértékű azzal, hogy a két atom között negatív töltés halmozódik fel és kiegyenlíti a magok taszító hatását. Látható, hogy ilyen töltéssűrűsödés a hidrogének között nincs, csak a bór- és a hidrogénatomok között. Az atommagok közötti kritikus pontot és a maximális elektronsűrűségű utat együtt a kötés útjának nevezzük. Ez voltaképpen a kémiai kötésnek feleltethető meg. Ennek alapján a kötésutak teljes hálózata a molekula szerkezetét adja.

Lám, valami hasonlóhoz jutottunk, mint az atomok közötti mindeddig kiátkozott vegyértékvonalak. Azért ne keverjük a fogalmakat, egészen más dologról van szó! Az elektronsűrűség, és abban a kötés útja fizikai realitás. Ráadásul a kötésút nem is mindig egyenes. Például a ciklopropén-molekulában a három szénatom rendkívül feszült háromtagú gyűrűt zár be:

11.51. ábra. A ciklopropén gyűrű kötésútjai. Jól megfigyelhető, hogy a kötésutak nem egyenesek, hanem kissé „kidudorodnak”. A sárga négyzet a gyűrűre jellemző kritikus pont.

A feszültség nyilvánvaló, hiszen a telített szénatom sp3-as hibridizációja 109,5°-os szöget hozna létre, a telítetlen szénatom sp2-es hibridizációja 120°-os szöget, és ehelyett a háromszög-alakú molekulában 60°-hoz közeli szögek találhatók. Persze, hogy a gyűrű rendkívül feszült! Ezt a kidudorodó kötésutak tökéletesen illusztrálják (11.51. ábra). A kötésutak gyönyörűen illusztrálják a reakciók végbemenetelét is. Vizsgáljuk meg az alábbi protonvándorlási reakciót.

H – C ≡ N → C ≡ N – H.

Mindkét molekula lineáris (a HCN-ben a szén, a CNH-ban a nitrogén van sp hibridállapotban), ámde a folyamat során a hidrogén a CN-csoport fölé kunkorodik, és átvonul a túloldalra. A 11.52. ábrán az átrendeződés néhány mozzanatát láthatjuk a kötésutak és a kritikus pontok változásainak fényében.

Az átrendeződés során a H–C-kötés kritikus pontja együtt mozog a hidrogénatommal. Eközben az eredeti lineáristól a kötés útja erősen torzul, de ennek ellenére egészen 72,4 fokig a kötés kritikus pontja megmarad, azaz a hidrogén a szénhez kapcsolódik. Ugyanakkor 72,2 foktól 0 fokig a hidrogén már a nitrogénhez kötődik, azaz e két atom között található meg a kritikus pont és a kötésút. A harmadik kép azt az instabilis állapotot mutatja – valahol 72,2 és 72,4 fok között –, amikor a hidrogén egyik atomhoz sem tartozik, ehelyett a kötés útja a C–N-kötés kritikus pontjába tart. Az átmenet – a H–C-kötés szakadása és a H–N-kötés képződése – tehát egy hirtelen és ugrásszerű mozzanat, mely alatt a H-atom alig mozdul el.

11.52. ábra. A HCN-molekula protonvándorlási reakciója. A molekula lineáris, a molekulán belüli atomok jól szétválnak (kék vonalak). A fekete pontok a kötések kritikus pontjait, a piros vonalak a kötések útjait jelentik.a) Kiindulási állapot.

b) A hidrogén megkezdte vándorlását a C–N tengely mentén. Az ábrán a HCN szög 84 fokos. Látható, hogy a H–C kötés ennél a kötésszögnél még létezik.

c) A H–C–N kötésszög 72,3°. Ez az a pont, mikor a H–C kötés már felbomlott, az N–H kötés még nem alakult ki: a hidrogéntől a kötési út a kritikus pontba vezet. Rendkívüli helyzet ez. 72,4°-nál még a H–C kötés megvan, 72,2°-nál pedig már a H–N kötés létezik. Ezt a nagyon speciális helyzetet nevezzük átmeneti állapotnak.

d) A H–C–N kötésszög 72,2°, alig különbözik az előzőtől. Mégis, jól látható a különbség: kialakult a H–N kötés. A kötés útja nagyon erősen görbült, ami indokolható a rendkívül feszült állapottal.

e) Kialakult a végállapot, a molekula ismét lineáris.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

Nyomtatott megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 664 114 6

Kémia

A kémiának számos ága létezik (szerves, szervetlen, fizikai, analitikai, bio- és polimer-kémia stb.), de általános kémia nevű diszciplínát nem ismerünk. Mégis: a General Chemistry, Allgemeine Chemie, Общая химия kifejezések jól ismertek az egész világon. A világ minden részén százszámra találhatók ilyen címmel könyvek, és aligha van olyan egyetemi kémia fakultás, ahol ez a tantárgy ismeretlen. Az általános kémia kurzusok és könyvünk célja az, hogy az olvasó középiskolából hozott kémiai ismereteit olyan szintre segítse, amelyre a fenti szaktárgyak alapozhatnak. Feladata az alapfogalmak definiálása, mintegy a kémiai nyelv alapszókincsének megismertetése, a fontosabb fizikai és kémiai jelenségek és összefüggések megvilágítása.

A könyv több – tipográfiailag is elkülönített – szinten használható. Anyaga a középiskolai kémiától elvezet az egyetemek másod- és harmadéves fizikai kémia tárgyáig. A fontos jelenségek mellé a haladók számára mélyebb magyarázatokat mellékel, melyeket a kezdők nyugodtan átugorhatnak anélkül, hogy ez gátolná a fő gondolat-menet megértését. Az olvasót számos érdekesség, tudománytörténeti kitekintés, rengeteg színes ábra, fénykép és több száz kidolgozott példa is segíti.

Könyvünk elsőrendű célja tehát adott: bevezetés vagy inkább átvezetés a felsőfokú kémiába. A megcélzott olvasókör is adott: érdeklődő középiskolásoknak éppúgy szól, mint első- és másodéves, kémiát tanuló egyetemi hallgatóknak. Emellett ajánlható a középiskolák kémiatanárainak is: számos, a középiskolákban is könnyen használható anyagot tartalmaz – másként, mint ahogyan a középiskolákban általában tanítani szokás. Végül, de nem utolsósorban ajánljuk a könyvet mindazoknak, akik bármikor, bármilyen szinten belekóstoltak vagy belemerültek a kémia izgalmas világába.

Hivatkozás: https://mersz.hu/altalanos-kemia-uj//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero