Conceptul unei legături chimice este de o importanță nu mică în diferite domenii ale chimiei ca știință. Acest lucru se datorează faptului că cu ajutorul lui atomii individuali sunt capabili să se combine în molecule, formând tot felul de substanțe, care, la rândul lor, fac obiectul cercetărilor chimice.
Varietatea de atomi și molecule este asociată cu apariția diferitelor tipuri de legături între ei. Diferitele clase de molecule se caracterizează prin propriile caracteristici ale distribuției electronilor și, prin urmare, prin propriile tipuri de legături.
Concepte de bază
O legătură chimică este un set de interacțiuni care duc la legarea atomilor pentru a forma particule stabile cu o structură mai complexă (molecule, ioni, radicali), precum și agregate (cristale, pahare etc.). Natura acestor interacțiuni este de natură electrică și ele apar în timpul distribuției electronilor de valență în atomii care se apropie.
Valența este de obicei numită capacitatea unui atom de a forma un anumit număr de legături cu alți atomi. În compușii ionici, numărul de electroni dați sau atașați este luat ca valoare a valenței. LAîn compușii covalenti, este egal cu numărul de perechi de electroni comuni.
Starea de oxidare este înțeleasă ca sarcina condiționată care ar putea fi pe un atom dacă toate legăturile covalente polare ar fi ionice.
Multiplicitatea legăturilor este numărul de perechi de electroni partajați între atomii considerați.
Legăturile considerate în diverse ramuri ale chimiei pot fi împărțite în două tipuri de legături chimice: cele care duc la formarea de noi substanțe (intramoleculare) și cele care apar între molecule (intermoleculare).
Caracteristici de bază ale comunicării
Energia de legare este energia necesară pentru a rupe toate legăturile existente într-o moleculă. Este, de asemenea, energia eliberată în timpul formării legăturilor.
Lungimea legăturii este distanța dintre nucleele adiacente de atomi dintr-o moleculă, la care forțele de atracție și de repulsie sunt echilibrate.
Aceste două caracteristici ale legăturii chimice a atomilor sunt o măsură a puterii sale: cu cât lungimea este mai scurtă și energia este mai mare, cu atât legătura este mai puternică.
Unghiul de legătură se numește de obicei unghiul dintre liniile reprezentate care trec în direcția de legătură prin nucleele atomilor.
Metode pentru descrierea linkurilor
Cele mai comune două abordări pentru explicarea legăturii chimice, împrumutate de la mecanica cuantică:
Metoda orbitalilor moleculari. El consideră o moleculă ca un set de electroni și nuclee de atomi, fiecare electron individual mișcându-se în câmpul de acțiune al tuturor celorlalți electroni și nuclee. Molecula are o structură orbitală, iar toți electronii săi sunt distribuiți de-a lungul acestor orbite. De asemenea, această metodă se numește MO LCAO, care înseamnă „orbital molecular - o combinație liniară de orbitali atomici”.
Metoda legăturilor de valență. Reprezintă o moleculă ca un sistem de doi orbitali moleculari centrali. Mai mult, fiecare dintre ele corespunde unei legături între doi atomi adiacenți din moleculă. Metoda se bazează pe următoarele prevederi:
- Formarea unei legături chimice este realizată de o pereche de electroni cu spini opuși, care se află între cei doi atomi considerați. Perechea de electroni formată aparține la doi atomi în mod egal.
- Numărul de legături formate de unul sau altul atom este egal cu numărul de electroni nepereche în starea fundamentală și excitată.
- Dacă perechile de electroni nu iau parte la formarea unei legături, atunci se numesc perechi singure.
Electronegativitate
Este posibil să se determine tipul de legătură chimică în substanțe pe baza diferenței dintre valorile electronegativității atomilor săi constitutivi. Electronegativitatea este înțeleasă ca capacitatea atomilor de a atrage perechi de electroni obișnuiți (nor de electroni), ceea ce duce la polarizarea legăturilor.
Există diferite moduri de a determina valorile electronegativității elementelor chimice. Cu toate acestea, cea mai des folosită este scara bazată pe date termodinamice, care a fost propusă în 1932 de L. Pauling.
Cu cât diferența de electronegativitate a atomilor este mai mare, cu atât ionicitatea sa este mai pronunțată. Dimpotrivă, valorile electronegativității egale sau apropiate indică natura covalentă a legăturii. Cu alte cuvinte, este posibil să se determine ce legătură chimică este observată într-o anumită moleculă din punct de vedere matematic. Pentru a face acest lucru, trebuie să calculați ΔX - diferența de electronegativitate a atomilor conform formulei: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Dacă ΔХ>1, 7, atunci legătura este ionică.
- Dacă 0,5≦ΔХ≦1,7, atunci legătura covalentă este polară.
- Dacă ΔХ=0 sau aproape de acesta, atunci legătura este covalentă nepolară.
Legătură ionică
Ionic este o astfel de legătură care apare între ioni sau datorită retragerii complete a unei perechi de electroni comune de către unul dintre atomi. În substanțe, acest tip de legătură chimică se realizează prin forțe de atracție electrostatică.
Ionii sunt particule încărcate formate din atomi ca urmare a câștigării sau pierderii electronilor. Când un atom acceptă electroni, capătă o sarcină negativă și devine anion. Dacă un atom donează electroni de valență, el devine o particulă încărcată pozitiv numită cation.
Este caracteristic compușilor formați prin interacțiunea atomilor de metale tipice cu atomii de nemetale tipice. Principalul proces este aspirația atomilor pentru a dobândi configurații electronice stabile. Și pentru aceasta, metalele și nemetalele tipice trebuie să dea sau să accepte doar 1-2 electroni,pe care o fac cu ușurință.
Mecanismul de formare a unei legături chimice ionice într-o moleculă este considerat în mod tradițional folosind exemplul interacțiunii sodiului și clorului. Atomii metalelor alcaline donează cu ușurință un electron atras de un atom de halogen. Rezultatul este cationul Na+ și anionul Cl-, care sunt ținute împreună prin atracție electrostatică.
Nu există nicio legătură ionică ideală. Chiar și în astfel de compuși, care sunt adesea denumiți ionici, transferul final al electronilor de la atom la atom nu are loc. Perechea de electroni formată rămâne încă în uz comun. Prin urmare, ei vorbesc despre gradul de ionicitate al unei legături covalente.
Legătura ionică este caracterizată de două proprietăți principale legate una de ceal altă:
- nedirecțional, adică câmpul electric din jurul ionului are forma unei sfere;
- Nesaturarea, adică numărul de ioni cu încărcare opusă care pot fi plasați în jurul oricărui ion, este determinat de dimensiunea acestora.
Legătură chimică covalentă
Legătura formată atunci când norii de electroni ai atomilor nemetalici se suprapun, adică realizată de o pereche de electroni comună, se numește legătură covalentă. Numărul de perechi de electroni partajați determină multiplicitatea legăturii. Astfel, atomii de hidrogen sunt legați printr-o singură legătură H··H, iar atomii de oxigen formează o legătură dublă O::O.
Există două mecanisme pentru formarea sa:
- Schimb - fiecare atom reprezintă un electron pentru formarea unei perechi comune: A +B=A: B, în timp ce conexiunea implică orbitali atomici externi, pe care se află un electron.
- Donor-acceptor - pentru a forma o legătură, unul dintre atomi (donatorul) furnizează o pereche de electroni, iar al doilea (acceptor) - un orbital liber pentru plasarea sa: A +:B=A:B.
Modurile în care norii de electroni se suprapun atunci când se formează o legătură chimică covalentă sunt, de asemenea, diferite.
- Direct. Regiunea de suprapunere a norilor se află pe o linie dreaptă imaginară care leagă nucleele atomilor considerați. În acest caz, se formează legături σ. Tipul de legătură chimică care apare în acest caz depinde de tipul de nori de electroni care suferă suprapunere: s-s, s-p, p-p, s-d sau p-d σ-legaturi. Într-o particulă (moleculă sau ion), între doi atomi vecini poate apărea o singură legătură σ.
- Latura. Se efectuează pe ambele părți ale liniei care leagă nucleele atomilor. Așa se formează o legătură π și sunt posibile și varietățile ei: p-p, p-d, d-d. Separată de legătura σ, legătura π nu se formează niciodată; poate fi în molecule care conțin legături multiple (duble și triple).
Proprietățile legăturii covalente
Determină caracteristicile chimice și fizice ale compușilor. Principalele proprietăți ale oricărei legături chimice din substanțe sunt direcționalitatea, polaritatea și polarizabilitatea acesteia, precum și saturația.
Direcționalitatea legăturii determină caracteristicile molecularestructura substanțelor și forma geometrică a moleculelor acestora. Esența sa constă în faptul că cea mai bună suprapunere a norilor de electroni este posibilă cu o anumită orientare în spațiu. Opțiunile pentru formarea legăturilor σ și π au fost deja luate în considerare mai sus.
Saturația este înțeleasă ca capacitatea atomilor de a forma un anumit număr de legături chimice într-o moleculă. Numărul de legături covalente pentru fiecare atom este limitat de numărul de orbitali exteriori.
Polaritatea legăturii depinde de diferența dintre valorile electronegativității atomilor. Determină uniformitatea distribuției electronilor între nucleele atomilor. O legătură covalentă pe această bază poate fi polară sau nepolară.
- Dacă perechea de electroni comună aparține în mod egal fiecăruia dintre atomi și este situată la aceeași distanță de nucleele lor, atunci legătura covalentă este nepolară.
- Dacă perechea comună de electroni este deplasată la nucleul unuia dintre atomi, atunci se formează o legătură chimică polară covalentă.
Polarizabilitatea este exprimată prin deplasarea electronilor de legătură sub acțiunea unui câmp electric extern, care poate aparține unei alte particule, legături învecinate din aceeași moleculă sau provin din surse externe de câmpuri electromagnetice. Deci, o legătură covalentă sub influența lor își poate schimba polaritatea.
Sub hibridizarea orbitalilor înțelegeți schimbarea formelor lor în implementarea unei legături chimice. Acest lucru este necesar pentru a obține cea mai eficientă suprapunere. Există următoarele tipuri de hibridizare:
- sp3. Un orbital s și trei orbitali p formează patruorbitali „hibrizi” de aceeași formă. În exterior, seamănă cu un tetraedru cu un unghi între axele de 109 °.
- sp2. Un orbital s și doi orbitali p formează un triunghi plat cu un unghi între axele de 120°.
- sp. Un orbital s și unul p formează doi orbitali „hibrizi” cu un unghi între axele lor de 180°.
Liant metalic
O caracteristică a structurii atomilor de metal este o rază destul de mare și prezența unui număr mic de electroni în orbitalii exteriori. Drept urmare, în astfel de elemente chimice, legătura dintre nucleu și electronii de valență este relativ slabă și se rupe ușor.
Legătura metalică este o astfel de interacțiune între atomi-ioni metalici, care se realizează cu ajutorul electronilor delocalizați.
În particulele metalice, electronii de valență pot părăsi cu ușurință orbitalii exteriori, precum și să ocupe locuri libere pe ei. Astfel, în momente diferite, aceeași particulă poate fi un atom și un ion. Electronii rupți din ele se mișcă liber în întregul volum al rețelei cristaline și realizează o legătură chimică.
Acest tip de legătură are asemănări cu ionică și covalentă. La fel ca și pentru ionic, ionii sunt necesari pentru existența unei legături metalice. Dar dacă pentru implementarea interacțiunii electrostatice în primul caz sunt necesari cationi și anioni, atunci în al doilea, rolul particulelor încărcate negativ este jucat de electroni. Dacă comparăm o legătură metalică cu o legătură covalentă, atunci formarea ambelor necesită electroni comuni. Cu toate acestea, înspre deosebire de o legătură chimică polară, ele nu sunt localizate între doi atomi, ci aparțin tuturor particulelor de metal din rețeaua cristalină.
Legăturile metalice sunt responsabile pentru proprietățile speciale ale aproape tuturor metalelor:
- plasticitate, prezentă datorită posibilității deplasării straturilor de atomi din rețeaua cristalină ținută de gazul de electroni;
- luciu metalic, care se observă datorită reflectării razelor de lumină de la electroni (în starea de pulbere nu există rețea cristalină și, prin urmare, electronii care se mișcă de-a lungul ei);
- conductivitate electrică, care este realizată de un flux de particule încărcate și, în acest caz, electronii mici se mișcă liber printre ionii metalici mari;
- conductivitate termică, observată datorită capacității electronilor de a transfera căldură.
Legătură de hidrogen
Acest tip de legătură chimică este uneori numit intermediar între interacțiunea covalentă și intermoleculară. Dacă un atom de hidrogen are o legătură cu unul dintre elementele puternic electronegative (cum ar fi fosfor, oxigen, clor, azot), atunci este capabil să formeze o legătură suplimentară, numită hidrogen.
Este mult mai slab decât toate tipurile de legături considerate mai sus (energia nu este mai mare de 40 kJ/mol), dar nu poate fi neglijat. De aceea legătura chimică de hidrogen din diagramă arată ca o linie punctată.
Apariția unei legături de hidrogen este posibilă datorită interacțiunii electrostatice donor-acceptor în același timp. Diferență mare de valorielectronegativitatea duce la apariția excesului de densitate de electroni asupra atomilor O, N, F și alții, precum și la lipsa acesteia asupra atomului de hidrogen. În cazul în care nu există nicio legătură chimică între astfel de atomi, forțele atractive sunt activate dacă sunt suficient de apropiate. În acest caz, protonul este un acceptor de pereche de electroni, iar al doilea atom este un donor.
Legăturile de hidrogen pot avea loc atât între moleculele vecine, de exemplu, apă, acizi carboxilici, alcooli, amoniac, cât și în cadrul unei molecule, de exemplu, acid salicilic.
Prezența unei legături de hidrogen între moleculele de apă explică o serie de proprietăți fizice unice:
- Valorile capacității sale de căldură, constantei dielectrice, punctele de fierbere și de topire, în conformitate cu calculele, ar trebui să fie mult mai mici decât cele reale, ceea ce se explică prin legarea moleculelor și necesitatea de a cheltui energie pentru a rupe legăturile de hidrogen intermoleculare.
- Spre deosebire de alte substanțe, atunci când temperatura scade, volumul apei crește. Acest lucru se datorează faptului că moleculele ocupă o anumită poziție în structura cristalină a gheții și se îndepărtează unele de altele după lungimea legăturii de hidrogen.
Această conexiune joacă un rol special pentru organismele vii, deoarece prezența ei în moleculele de proteine determină structura lor specială și, prin urmare, proprietățile lor. În plus, acizii nucleici, care alcătuiesc dubla helix ADN, sunt, de asemenea, legați precis prin legături de hidrogen.
Comunicații în cristale
Marea majoritate a solidelor au o rețea cristalină - o specialăaranjarea reciprocă a particulelor care le formează. În acest caz, se observă periodicitatea tridimensională, iar atomii, moleculele sau ionii sunt localizați la noduri, care sunt conectate prin linii imaginare. În funcție de natura acestor particule și de legăturile dintre ele, toate structurile cristaline sunt împărțite în atomice, moleculare, ionice și metalice.
Există cationi și anioni în nodurile rețelei cristaline ionice. Mai mult, fiecare dintre ele este înconjurat de un număr strict definit de ioni cu doar sarcina opusă. Un exemplu tipic este clorura de sodiu (NaCl). Tind să aibă puncte de topire și duritate ridicate, deoarece necesită multă energie pentru a se rupe.
Moleculele de substanțe formate printr-o legătură covalentă sunt situate la nodurile rețelei cristaline moleculare (de exemplu, I2). Ele sunt conectate între ele printr-o interacțiune slabă van der Waals și, prin urmare, o astfel de structură este ușor de distrus. Astfel de compuși au puncte de fierbere și de topire scăzute.
Rețeaua cristalină atomică este formată din atomi de elemente chimice cu valori mari de valență. Ele sunt conectate prin legături covalente puternice, ceea ce înseamnă că substanțele au puncte de fierbere ridicate, puncte de topire și duritate ridicată. Un exemplu este un diamant.
Astfel, toate tipurile de legături găsite în substanțele chimice au propriile lor caracteristici, care explică complexitatea interacțiunii particulelor din molecule și substanțe. Proprietățile compușilor depind de ele. Ele determină toate procesele care au loc în mediu.
