Legătură chimică este forța care reușește să țină împreună atomii care alcătuiesc materia. Fiecare tip de materie are o legătură chimică caracteristică, care constă în participarea unuia sau mai multor electroni. Astfel, forțele care unesc atomii în gaze sunt diferite, de exemplu, de metale.
Toate elementele din tabelul periodic (cu excepția heliului și a gazelor nobile ușoare) pot forma legături chimice între ele. Cu toate acestea, natura acestora este modificată în funcție de ce elemente provin electronii care le formează. Un parametru esențial pentru a explica tipul de legături este electronegativitatea.
Diferența de electronegativitate (ΔE) între doi atomi definește nu numai tipul de legătură chimică, ci și proprietățile fizico-chimice ale compusului. Sărurile se caracterizează prin legături ionice (highE ridicate) și mulți dintre compușii organici, cum ar fi vitamina B12 (imagine de sus), legături covalente (ΔE scăzut).
În structura moleculară superioară, fiecare dintre linii reprezintă o legătură covalentă. Pene indică faptul că legătura iese din plan (spre cititor), iar cele subliniate în spatele planului (departe de cititor). Rețineți că există legături duble (=) și un atom de cobalt coordonat cu cinci atomi de azot și un lanț lateral R.
Dar de ce se formează astfel de legături chimice? Răspunsul constă în stabilitatea energetică a atomilor și electronilor participanți. Această stabilitate trebuie să echilibreze repulsiile electrostatice experimentate între nori și nuclei de electroni și atracția exercitată de un nucleu asupra electronilor atomului vecin..
Indice articol
Mulți autori au dat definiții ale legăturii chimice. Dintre toate acestea, cel mai important a fost cel al fizico-chimistului G. N. Lewis, care a definit legătura chimică ca fiind participarea unei perechi de electroni între doi atomi. Dacă atomii A și B pot contribui cu un singur electron, atunci legătura simplă A: B sau A-B se va forma între ei.
Înainte de formarea legăturii, atât A cât și B sunt separate de o distanță nedeterminată, dar atunci când se leagă există acum o forță care le ține împreună în compusul diatomic AB și o distanță de legătură (sau lungime).
Care sunt caracteristicile acestei forțe care ține împreună atomii? Acestea depind mai mult de tipul legăturii dintre A și B decât de structurile lor electronice. De exemplu, legătura A-B este direcțională. Ce înseamnă? Că forța exercitată prin unirea perechii de electroni poate fi reprezentată pe o axă (ca și cum ar fi un cilindru).
De asemenea, această legătură necesită energie pentru a se rupe. Această cantitate de energie poate fi exprimată în unități de kJ / mol sau cal / mol. Odată ce s-a aplicat suficientă energie compusului AB (prin căldură, de exemplu), se va disocia în atomii A și B originali..
Cu cât legătura este mai stabilă, cu atât este nevoie de mai multă energie pentru a separa atomii legați..
Pe de altă parte, dacă legătura din compusul AB ar fi ionică, A+B-, atunci ar fi o forță nedirecțională. De ce? pentru că+ exercită o forță atractivă asupra lui B- (și invers) care depinde mai mult de distanța care separă ambii ioni în spațiu decât de locația lor relativă.
Acest câmp de atracție și respingere reunește alți ioni pentru a forma ceea ce este cunoscut sub numele de rețea de cristal (imaginea de sus: cation A+ se află înconjurat de patru anioni B-, și acești patru cationi A+ și așa mai departe).
Pentru ca o pereche de electroni să formeze o legătură există multe lucruri care trebuie luate în considerare mai întâi. Nucleii, ca să spunem cei ai lui A, au protoni și, prin urmare, sunt pozitivi. Când doi atomi A sunt foarte distanți, adică la o distanță internucleară mare (imaginea superioară), ei nu experimentează nicio atracție.
Pe măsură ce cei doi atomi A se apropie de nucleele lor, ei atrag norul de electroni al atomului vecin (cercul purpuriu). Aceasta este forța de atracție (A pe cercul purpuriu vecin). Cu toate acestea, cele două nuclee ale lui A se resping reciproc deoarece sunt pozitive, iar această forță crește energia potențială a legăturii (axa verticală).
Există o distanță internucleară în care energia potențială atinge un minim; adică atât forțele atractive, cât și cele respingătoare sunt echilibrate (cei doi atomi A din partea inferioară a imaginii).
Dacă această distanță scade după acest punct, legătura va determina cele două nuclee să se respingă reciproc cu o forță mare, destabilizând compusul A-A..
Deci, pentru ca legătura să se formeze, trebuie să existe o distanță internucleară adecvată din punct de vedere energetic; și, în plus, orbitalii atomici trebuie să se suprapună corect pentru ca electronii să se lege.
Ce se întâmplă dacă în loc de doi atomi de A, unul dintre A și celălalt din B ar trebui să se alăture? În acest caz, graficul superior s-ar schimba deoarece unul dintre atomi ar avea mai mulți protoni decât celălalt, iar norii de electroni ar avea dimensiuni diferite..
Deoarece legătura A-B se formează la distanța internucleară adecvată, perechea de electroni se va găsi în principal în vecinătatea celui mai electronegativ atom. Acesta este cazul tuturor compușilor chimici heteronucleari, care constituie marea majoritate a celor care sunt cunoscuți (și vor fi cunoscuți).
Deși nu sunt menționate în profunzime, există numeroase variabile care influențează direct modul în care se apropie atomii și se formează legături chimice; unele sunt termodinamice (reacția este spontană?), electronice (cât de pline sau goale sunt orbitalele atomilor) și altele cinetice.
Link-urile au o serie de caracteristici care le disting între ele. Mai multe dintre ele pot fi încadrate în trei clasificări principale: covalente, ionice sau metalice.
Deși există compuși ale căror legături aparțin unui singur tip, mulți constau de fapt dintr-un amestec de caractere ale fiecăruia. Acest fapt se datorează diferenței de electronegativitate între atomii care formează legăturile. Astfel, unii compuși pot fi covalenți, dar au un anumit caracter ionic în legăturile lor..
De asemenea, tipul de legătură, structura și masa moleculară sunt factori cheie care definesc proprietățile macroscopice ale materiei (luminozitate, duritate, solubilitate, punct de topire etc.).
Legăturile covalente sunt cele care au fost explicate până acum. În ele, doi orbitali (câte un electron în fiecare) trebuie să se suprapună cu nucleii separați la o distanță internucleară adecvată..
Conform teoriei orbitale moleculare (TOM), dacă suprapunerea orbitalelor este frontală, se va forma o legătură sigma σ (care se mai numește o legătură simplă sau simplă). În timp ce dacă orbitalele sunt formate din suprapuneri laterale și perpendiculare față de axa internucleară, vom avea legăturile π (duble și triple):
Legătura σ, așa cum se poate vedea în imagine, se formează de-a lungul axei internucleare. Deși nu sunt prezentate, A și B pot avea alte legături și, prin urmare, propriile lor medii chimice (diferite părți ale structurii moleculare). Acest tip de legătură se caracterizează prin puterea sa de rotație (cilindru verde) și pentru a fi cea mai puternică dintre toate.
De exemplu, legătura unică din molecula de hidrogen se poate roti pe axa internucleară (H-H). În mod similar, o moleculă ipotetică CA-AB o poate face..
Legăturile C-A, A-A și A-B se rotesc; dar dacă C sau B sunt atomi sau un grup de atomi voluminoși, rotația A-A este blocată steric (deoarece C și B s-ar ciocni).
Legături simple se găsesc în practic toate moleculele. Atomii lor pot avea orice hibridizare chimică atâta timp cât suprapunerea orbitalilor lor este frontală. Revenind la structura vitaminei B12, orice linie simplă (-) indică o singură legătură (de exemplu, legături -CONHDouă).
Legătura dublă necesită ca atomii să aibă (de obicei) hibridizare spDouă. Legătura p pură, perpendiculară pe cei trei orbitali sp hibriziDouă, formează legătura dublă, care apare ca o foaie cenușie.
Rețineți că atât legătura simplă (cilindrul verde), cât și legătura dublă (foaia gri) coexistă în același timp. Cu toate acestea, spre deosebire de legăturile simple, legăturile duble nu au aceeași libertate de rotație în jurul axei internucleare. Acest lucru se datorează faptului că, pentru a se roti, veriga (sau folia) trebuie să se rupă; proces care are nevoie de energie.
De asemenea, legătura A = B este mai reactivă decât A-B. Lungimea sa este mai mică, iar atomii A și B se află la o distanță internucleară mai mică; prin urmare, există o respingere mai mare între ambii nuclei. Spargerea legăturilor simple și duble necesită mai multă energie decât este nevoie pentru a separa atomii din molecula A-B..
În structura vitaminei B12 se pot observa mai multe duble legături: C = O, P = O și în interiorul inelelor aromatice.
Legătura triplă este chiar mai scurtă decât legătura dublă și rotația acesteia este mai împiedicată energetic. În el, se formează două legături perpendiculare π (foile cenușii și violete), precum și o legătură simplă.
În mod obișnuit, hibridizarea chimică a atomilor lui A și B trebuie să fie sp: două sp orbitali distanți la 180 ° și doi orbitali p p perpendiculari pe primul. Rețineți că o legătură triplă arată ca o paletă, dar fără putere de rotație. Această legătură poate fi reprezentată pur și simplu ca A≡B (N≡N, molecula de azot NDouă).
Dintre toate legăturile covalente, aceasta este cea mai reactivă; dar în același timp, cel care are nevoie de mai multă energie pentru separarea completă a atomilor săi (· A: +: B ·). Dacă vitamina B12 avea o legătură triplă în structura sa moleculară, efectul său farmacologic s-ar schimba drastic.
Șase electroni participă la triple legături; în dublu, patru electroni; iar în cele simple sau simple, două.
Formarea uneia sau mai multora dintre aceste legături covalente depinde de disponibilitatea electronică a atomilor; adică câți electroni au nevoie orbitalii lor pentru a dobândi un octet de valență.
O legătură covalentă constă într-o împărțire egală a unei perechi de electroni între doi atomi. Dar acest lucru este strict adevărat numai în cazul în care ambii atomi au electronegativități egale; adică aceeași tendință de a atrage densitatea electronilor din împrejurimile sale într-un compozit.
Legăturile nepolare se caracterizează printr-o diferență nulă de electronegativitate (ΔE≈0). Acest lucru se întâmplă în două situații: într-un compus homonuclear (ADouă), sau dacă mediile chimice de pe ambele părți ale legăturii sunt echivalente (H3C-CH3, moleculă de etan).
Exemple de legături nepolare se văd în următorii compuși:
-Hidrogen (H-H)
-Oxigen (O = O)
-Azot (N≡N)
-Fluor (F-F)
-Clor (Cl-Cl)
-Acetilenă (HC≡CH)
Când există o diferență accentuată de electronegativitate ΔE între ambii atomi, se formează un moment dipolar de-a lungul axei legăturii: Aδ+-Bδ-. În cazul compusului heteronuclear AB, B este cel mai electronegativ atom și, prin urmare, are o densitate mai mare de electroni δ-; în timp ce A, cel mai puțin electronegativ, deficit de sarcină δ+.
Pentru ca legăturile polare să apară, trebuie să se unească doi atomi cu electronegativități diferite; și astfel formează compuși heteronucleari. A-B seamănă cu un magnet: are un pol pozitiv și unul negativ. Acest lucru îi permite să interacționeze cu alte molecule prin forțe dipol-dipol, printre care se află legături de hidrogen..
Apa are două legături covalente polare, H-O-H, iar geometria sa moleculară este unghiulară, ceea ce crește momentul său dipolar. Dacă geometria sa ar fi liniară, oceanele s-ar evapora și apa ar avea un punct de fierbere mai scăzut.
Faptul că un compus are legături polare, nu înseamnă că este polar. De exemplu, tetraclorura de carbon, CCl4, are patru legături polare C-Cl, dar datorită dispunerii lor tetraedrice, momentul dipolar ajunge să fie anulat vectorial.
Când un atom renunță la o pereche de electroni pentru a forma o legătură covalentă cu un alt atom, atunci vorbim de o legătură dativă sau de coordonare. De exemplu, având B: perechea de electroni disponibilă și A (sau A+), un post vacant electronic, se formează legătura B: A.
În structura vitaminei B12 cei cinci atomi de azot sunt legați de centrul metalic al Co prin acest tip de legătură covalentă. Acești nitrogeni renunță la perechea lor de electroni liberi către cation.3+, coordonând metalul cu acestea (Co3+: N-)
Un alt exemplu poate fi găsit în protonația unei molecule de amoniac pentru a forma amoniac:
H3N: + H+ => NH4+
Rețineți că în ambele cazuri atomul de azot este cel care contribuie cu electronii; prin urmare, legătura covalentă dativă sau de coordonare apare atunci când un atom singur contribuie la perechea de electroni.
În același mod, molecula de apă poate fi protonată pentru a deveni cationul de hidroniu (sau oxoniu):
HDouăO + H+ => H3SAU+
Spre deosebire de cationul de amoniu, hidroniul are încă o pereche de electroni liberi (H3SAU:+); cu toate acestea, este foarte dificil să accepte un alt proton pentru a forma dicarea instabilă de hidroniu, H4SAUDouă+.
În imagine este un deal alb de sare. Sărurile se caracterizează prin prezența unor structuri cristaline, adică simetrice și ordonate; puncte de topire și fierbere ridicate, conductivități electrice ridicate la topire sau dizolvare și, de asemenea, ionii săi sunt puternic legați de interacțiuni electrostatice.
Aceste interacțiuni alcătuiesc ceea ce este cunoscut sub numele de legătură ionică. În a doua imagine a fost prezentat un cation A+ înconjurat de patru anioni B-, dar aceasta este o reprezentare 2D. În trei dimensiuni, A+ ar trebui să aibă alți anioni B- înainte și în spatele planului, formând diverse structuri.
Astfel, A+ poate avea șase, opt sau chiar doisprezece vecini. Numărul de vecini care înconjoară un ion într-un cristal este cunoscut ca numărul de coordonare (N.C). Pentru fiecare N.C este asociat un tip de aranjament cristalin, care la rândul său constituie o fază solidă a sării.
Cristalele simetrice și fațetate văzute în săruri se datorează echilibrului stabilit de interacțiunile de atracție (A+ B-) și respingere (A+ LA+, B- B-) electrostatic.
Dar de ce A + și B-, sau Na+ și Cl-, nu formează legături covalente Na-Cl? Deoarece atomul de clor este mult mai electronegativ decât sodiul metalic, care se caracterizează și prin renunțarea foarte ușoară la electronii săi. Când aceste elemente se întâlnesc, reacționează exoterm pentru a produce sare de masă:
2Na (s) + ClDouă(g) => 2NaCl (s)
Doi atomi de sodiu renunță la electronul lor de valență unic (Na) către molecula diatomică de ClDouă, pentru a forma anionii Cl-.
Interacțiunile dintre cationii de sodiu și anionii clorură, deși reprezintă o legătură mai slabă decât cele covalente, sunt capabile să le mențină puternic unite în solid; iar acest fapt se reflectă în punctul de topire ridicat al sării (801ºC).
Ultimul tip de legătură chimică este metalic. Acest lucru poate fi găsit pe orice piesă de metal sau aliaj. Se caracterizează prin faptul că este special și diferit de ceilalți, datorită faptului că electronii nu trec de la un atom la altul, ci mai degrabă călătoresc, ca o mare, prin cristalul metalelor.
Astfel, atomii metalici, ca să spunem cupru, își amestecă orbitalii de valență între ei pentru a forma benzi de conducere; prin care electronii (s, p, d sau f) trec în jurul atomilor și îi țin strâns împreună.
În funcție de numărul de electroni care trec prin cristalul metalic, de orbitalele prevăzute pentru benzi și de ambalarea atomilor săi, metalul poate fi moale (cum ar fi metalele alcaline), dur, strălucitor sau un bun conductor de electricitate și fierbinte.
Forța care ține împreună atomii metalelor, cum ar fi cele care alcătuiesc omul din imagine și laptopul său, este mai mare decât cea a sărurilor.
Acest lucru poate fi verificat experimental deoarece cristalele sărurilor pot fi împărțite în mai multe jumătăți înainte de o forță mecanică; în timp ce o parte metalică (formată din cristale foarte mici) este deformată.
Următorii patru compuși cuprind tipurile de legături chimice explicate:
-Fluorură de sodiu, NaF (Na+F-): ionic.
-Sodiu, Na: metalic.
-Fluor, FDouă (F-F): covalent nepolar, datorită faptului că există un ΔE nul între ambii atomi deoarece sunt identici.
-Fluorură de hidrogen, HF (H-F): polară covalentă, deoarece în acest compus fluorul este mai electronegativ decât hidrogenul.
Există compuși, cum ar fi vitamina B12, posedând atât legături covalente polare, cât și ionice (în sarcina negativă a grupării sale fosfat -PO4--). În unele structuri complexe, cum ar fi clustere metalice, toate aceste tipuri de legături pot coexista chiar.
Materia oferă în toate manifestările sale exemple de legături chimice. De la piatra de la fundul unui iaz și apa care îl înconjoară, până la broaștele care cârâiesc la marginile sale.
Deși legăturile pot fi simple, numărul și dispunerea spațială a atomilor din structura moleculară fac loc unei bogate diversități de compuși..
Care este importanța legăturii chimice? Numărul incalculabil de consecințe pe care le-ar declanșa absența legăturii chimice evidențiază importanța sa enormă în natură:
-Fără ea, culorile nu ar exista, deoarece electronii săi nu ar absorbi radiația electromagnetică. Praful și particulele de gheață prezente în atmosferă ar dispărea și, prin urmare, culoarea albastră a cerului ar deveni întunecată..
-Carbonul nu și-a putut forma lanțurile nesfârșite, din care derivă trilioane de compuși organici și biologici.
-Proteinele nici măcar nu pot fi definite în aminoacizii lor constituenți. Zaharurile și grăsimile ar dispărea, precum și orice compuși de carbon din organismele vii.
-Pământul ar rămâne fără atmosferă, deoarece în absența legăturilor chimice din gazele sale, nu ar exista vreo forță care să le mențină împreună. Nici nu ar exista nici cea mai mică interacțiune intermoleculară între ele.
-Munții ar putea dispărea, deoarece rocile și mineralele lor, deși grele, nu și-ar putea conține atomii împachetați în structurile lor cristaline sau amorfe..
-Lumea ar fi alcătuită din atomi solitari incapabili să formeze substanțe solide sau lichide. Acest lucru ar duce, de asemenea, la dispariția oricărei transformări a materiei; adică nu ar exista nicio reacție chimică. Doar gaze trecătoare peste tot.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.