De ce atomii se pot combina între ei pentru a forma molecule? Care este motivul existenței posibile a unor substanțe, care includ atomi de elemente chimice complet diferite? Acestea sunt probleme globale care afectează conceptele fundamentale ale științei fizice și chimice moderne. Le poți răspunde, având o idee despre structura electronică a atomilor și cunoscând caracteristicile legăturii covalente, care este baza de bază pentru majoritatea claselor de compuși. Scopul articolului nostru este de a face cunoștință cu mecanismele de formare a diferitelor tipuri de legături chimice și cu caracteristicile proprietăților compușilor care le conțin în moleculele lor.
Structura electronică a atomului
Particulele electroneutre de materie, care sunt elementele sale structurale, au o structură care oglindește structura sistemului solar. Pe măsură ce planetele se învârt în jurul stelei centrale - Soarele, așa și electronii din atom se mișcă în jurul nucleului încărcat pozitiv. A caracterizaÎntr-o legătură covalentă, electronii aflați la ultimul nivel de energie și cel mai îndepărtat de nucleu vor fi semnificativi. Deoarece legătura lor cu centrul propriului atom este minimă, ei pot fi atrași cu ușurință de nucleele altor atomi. Acest lucru este foarte important pentru apariția interacțiunilor interatomice care conduc la formarea de molecule. De ce este forma moleculară principalul tip de existență a materiei pe planeta noastră? Să aflăm.
Proprietatea de bază a atomilor
Abilitatea particulelor neutre din punct de vedere electric de a interacționa, ceea ce duce la un câștig de energie, este cea mai importantă caracteristică a acestora. Într-adevăr, în condiții normale, starea moleculară a materiei este mai stabilă decât starea atomică. Principalele prevederi ale teoriei atomice și moleculare moderne explică atât principiile formării moleculelor, cât și caracteristicile unei legături covalente. Amintiți-vă că nivelul de energie exterior al unui atom poate conține de la 1 la 8 electroni, în acest din urmă caz stratul va fi complet, ceea ce înseamnă că va fi foarte stabil. Atomii gazelor nobile au o astfel de structură de nivel extern: argon, krypton, xenon - elemente inerte care completează fiecare perioadă din sistemul lui D. I. Mendeleev. Excepția aici este heliul, care nu are 8, ci doar 2 electroni în ultimul nivel. Motivul este simplu: în prima perioadă există doar două elemente ai căror atomi au un singur strat de electroni. Toate celel alte elemente chimice au de la 1 la 7 electroni pe ultimul strat incomplet. În procesul de interacțiune între ei, atomii vorse străduiește să fie umplut cu electroni până la un octet și să restabilească configurația unui atom al unui element inert. O astfel de stare poate fi atinsă în două moduri: prin pierderea propriei sau prin acceptarea particulelor străine încărcate negativ. Aceste forme de interacțiune explică modul de a determina dacă se va forma o legătură ionică sau covalentă între atomii care reacţionează.
Mecanisme pentru formarea unei configurații electronice stabile
Să ne imaginăm că în reacția compusului intră două substanțe simple: sodiul metalic și clorul gazos. Se formează o substanță din clasa sărurilor - clorură de sodiu. Are o legătură chimică de tip ionic. De ce și cum a apărut? Să ne întoarcem din nou la structura atomilor substanțelor inițiale. Sodiul are un singur electron pe ultimul strat, slab legat de nucleu din cauza razei mari a atomului. Energia de ionizare a tuturor metalelor alcaline, care includ sodiul, este scăzută. Prin urmare, electronul nivelului exterior părăsește nivelul energetic, este atras de nucleul atomului de clor și rămâne în spațiul său. Acest lucru creează un precedent pentru tranziția atomului de Cl în forma unui ion încărcat negativ. Acum nu mai avem de-a face cu particule neutre din punct de vedere electric, ci cu cationi de sodiu și anioni de clor încărcați. În conformitate cu legile fizicii, între ele apar forțe de atracție electrostatică, iar compusul formează o rețea cristalină ionică. Mecanismul de formare a tipului ionic al unei legături chimice luat în considerare de noi va ajuta la clarificarea mai clară a specificului și a principalelor caracteristici ale unei legături covalente.
perechi de electroni partajați
Dacă are loc o legătură ionică între atomi de elemente care sunt foarte diferiți ca electronegativitate, adică metale și nemetale, atunci tipul covalent apare atunci când atomi de aceleași elemente nemetalice sau diferite interacționează. În primul caz, se obișnuiește să se vorbească despre nepolar, iar în celăl alt, despre forma polară a unei legături covalente. Mecanismul formării lor este comun: fiecare dintre atomi dă parțial electroni pentru uz comun, care sunt combinați în perechi. Dar aranjarea spațială a perechilor de electroni în raport cu nucleele atomilor va fi diferită. Pe această bază, se disting tipurile de legături covalente - nepolare și polare. Cel mai adesea, în compușii chimici formați din atomi de elemente nemetalice, există perechi formate din electroni cu spini opuși, adică care se rotesc în jurul nucleilor lor în direcții opuse. Deoarece mișcarea particulelor încărcate negativ în spațiu duce la formarea norilor de electroni, care se termină în cele din urmă în suprapunerea lor reciprocă. Care sunt consecințele acestui proces pentru atomi și la ce duce?
Proprietățile fizice ale unei legături covalente
Se pare că între centrele a doi atomi care interacționează există un nor cu doi electroni cu o densitate mare. Forțele electrostatice de atracție dintre norul încărcat negativ în sine și nucleele atomilor cresc. O porțiune de energie este eliberată și distanțele dintre centrii atomici scad. De exemplu, la începutul formării unei molecule H2 distanța dintre nucleele atomilor de hidrogeneste de 1,06 A, după suprapunerea norilor și formarea unei perechi de electroni comune - 0,74 A. Exemple de legături covalente formate conform mecanismului de mai sus pot fi găsite atât între substanțele anorganice simple, cât și complexe. Principala sa caracteristică distinctivă este prezența perechilor de electroni comuni. Ca urmare, după apariția unei legături covalente între atomi, de exemplu, hidrogenul, fiecare dintre aceștia capătă configurația electronică de heliu inert, iar molecula rezultată are o structură stabilă.
Forma spațială a unei molecule
O altă proprietate fizică foarte importantă a unei legături covalente este direcționalitatea. Depinde de configurația spațială a moleculei de substanță. De exemplu, atunci când doi electroni se suprapun cu un nor sferic, aspectul moleculei este liniar (acid clorhidric sau bromură de hidrogen). Forma moleculelor de apă, în care norii s și p hibridizează, este unghiulară, iar particulele foarte puternice de azot gazos arată ca o piramidă.
Structura substanțelor simple - nemetale
După ce am aflat ce fel de legătură se numește covalent, ce semne are, acum este timpul să ne ocupăm de soiurile sale. Dacă atomii aceluiași nemetal - clor, azot, oxigen, brom etc., interacționează între ei, atunci se formează substanțele simple corespunzătoare. Perechile lor de electroni comuni sunt situate la aceeași distanță de centrele atomilor, fără a se deplasa. Pentru compușii cu un tip nepolar de legătură covalentă, sunt inerente următoarele caracteristici: puncte de fierbere scăzute șitopire, insolubilitate în apă, proprietăți dielectrice. În continuare, vom afla care substanțe sunt caracterizate de o legătură covalentă, în care are loc o deplasare a perechilor de electroni comuni.
Electronegativitatea și efectul acesteia asupra tipului de legătură chimică
Propietatea unui anumit element de a atrage electroni dintr-un atom al altui element din chimie se numește electronegativitate. Scara de valori pentru acest parametru, propusă de L. Pauling, poate fi găsită în toate manualele de chimie anorganică și generală. Valoarea sa cea mai mare - 4,1 eV - are fluor, cea mai mică - alte nemetale active, iar cel mai scăzut indicator este tipic pentru metalele alcaline. Dacă elementele care diferă în electronegativitatea reacţionează între ele, atunci inevitabil una, mai activă, va atrage particulele încărcate negativ ale unui atom al unui element mai pasiv către nucleul său. Astfel, proprietățile fizice ale unei legături covalente depind direct de capacitatea elementelor de a dona electroni pentru uz comun. Perechile comune rezultate nu mai sunt situate simetric în raport cu nucleele, ci sunt deplasate către elementul mai activ.
Caracteristici ale compușilor cu o legătură polară
Substanțele din molecule ale căror perechi de electroni sunt asimetrice în raport cu nucleele atomilor includ halogenuri de hidrogen, acizi, compuși ai calcogenilor cu hidrogen și oxizi acizi. Aceștia sunt acizi sulfat și nitrat, oxizi de sulf și fosfor, hidrogen sulfurat etc. De exemplu, o moleculă de clorură de hidrogen conține o pereche de electroni comună,formată din electroni nepereche de hidrogen și clor. Este deplasat mai aproape de centrul atomului de Cl, care este un element mai electronegativ. Toate substanțele cu o legătură polară în soluții apoase se disociază în ioni și conduc curentul electric. Compușii care au o legătură covalentă polară, din care am dat exemple, au, de asemenea, puncte de topire și de fierbere mai mari în comparație cu substanțele nemetalice simple.
Metode de rupere a legăturilor chimice
În chimia organică, reacțiile de substituție a hidrocarburilor saturate cu halogeni urmează un mecanism radical. Un amestec de metan și clor la lumină și la temperatură obișnuită reacționează în așa fel încât moleculele de clor încep să se dividă în particule purtând electroni nepereche. Cu alte cuvinte, se observă distrugerea perechii de electroni comune și formarea radicalilor foarte activi -Cl. Ele sunt capabile să influențeze moleculele de metan în așa fel încât să rupă legătura covalentă dintre atomii de carbon și hidrogen. Se formează o particulă activă –H, iar valența liberă a atomului de carbon capătă un radical de clor, iar clormetanul devine primul produs al reacției. Un astfel de mecanism de scindare a moleculelor se numește homolitic. Dacă perechea comună de electroni trece complet în posesia unuia dintre atomi, atunci ei vorbesc despre un mecanism heterolitic caracteristic reacțiilor care au loc în soluții apoase. În acest caz, moleculele de apă polară vor crește rata de distrugere a legăturilor chimice ale compusului dizolvat.
Dublu și triplulinkuri
Marea majoritate a substanțelor organice și a unor compuși anorganici conțin în moleculele lor nu una, ci mai multe perechi de electroni obișnuiți. Multiplicitatea legăturii covalente reduce distanța dintre atomi și crește stabilitatea compușilor. Ele sunt de obicei denumite rezistente chimic. De exemplu, într-o moleculă de azot există trei perechi de electroni, aceștia sunt indicați în formula structurală prin trei liniuțe și determină puterea acesteia. Substanța simplă azotul este inertă din punct de vedere chimic și poate reacționa cu alți compuși, precum hidrogenul, oxigenul sau metalele, numai atunci când este încălzită sau la presiune ridicată, precum și în prezența catalizatorilor.
Legăturile duble și triple sunt inerente unor astfel de clase de compuși organici cum ar fi hidrocarburile diene nesaturate, precum și substanțele din seria etilenei sau acetilenei. Legăturile multiple determină principalele proprietăți chimice: reacții de adiție și polimerizare care au loc în punctele de rupere.
În articolul nostru, am oferit o descriere generală a legăturii covalente și am examinat principalele tipuri ale acesteia.
