Cum să determinați relațiile în conexiuni. Legatura chimica - concept si clasificare. Legătură covalentă polară

Nu există o teorie unificată a legăturilor chimice; legăturile chimice sunt împărțite în mod convențional în covalente (un tip universal de legătură), ionice (un caz special de legătură covalentă), metalice și hidrogen.

Legătură covalentă

Formarea unei legături covalente este posibilă prin trei mecanisme: schimb, donor-acceptor și dativ (Lewis).

Conform mecanism metabolic Formarea unei legături covalente are loc datorită partajării perechilor de electroni comuni. În acest caz, fiecare atom tinde să dobândească o înveliș de gaz inert, adică. obține un nivel de energie extern complet. Formarea unei legături chimice după tipul de schimb este descrisă folosind formulele Lewis, în care fiecare electron de valență al unui atom este reprezentat prin puncte (Fig. 1).

Orez. 1 Formarea unei legături covalente în molecula de HCl prin mecanismul de schimb

Odată cu dezvoltarea teoriei structurii atomice și a mecanicii cuantice, formarea unei legături covalente este reprezentată ca suprapunerea orbitalilor electronici (Fig. 2).

Orez. 2. Formarea unei legături covalente datorită suprapunerii norilor de electroni

Cu cât suprapunerea orbitalilor atomici este mai mare, cu atât legătura este mai puternică, cu atât lungimea legăturii este mai mică și energia legăturii este mai mare. O legătură covalentă poate fi formată prin suprapunerea diferiților orbitali. Ca urmare a suprapunerii orbitalilor s-s, s-p, precum și a orbitalilor d-d, p-p, d-p cu lobii laterali, are loc formarea de legături. Se formează o legătură perpendicular pe linia care leagă nucleele a 2 atomi. O legătură și una sunt capabile să formeze o legătură covalentă multiplă (dublă), caracteristică materie organică clasă de alchene, alcadiene etc. Una și două legături formează o legătură covalentă multiplă (triplă), caracteristică substanțelor organice din clasa alchinelor (acetilene).

Formarea unei legături covalente prin mecanism donor-acceptor Să ne uităm la exemplul cationului de amoniu:

NH3 + H+ = NH4+

7 N 1s 2 2s 2 2p 3

Atomul de azot are o pereche de electroni liberă (electroni care nu sunt implicați în formarea legăturilor chimice în interiorul moleculei), iar cationul de hidrogen are un orbital liber, deci sunt donor și, respectiv, acceptor de electroni.

Să luăm în considerare mecanismul dativ al formării legăturilor covalente folosind exemplul unei molecule de clor.

17 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Atomul de clor are atât o pereche de electroni liberă, cât și orbiti liberi, prin urmare, poate prezenta proprietățile atât ale unui donor, cât și ale unui acceptor. Prin urmare, atunci când se formează o moleculă de clor, un atom de clor acționează ca donor, iar celălalt ca acceptor.

Principal caracteristicile unei legături covalente sunt: ​​saturația (legăturile saturate se formează atunci când un atom își atașează atât de mulți electroni cât îi permit capabilitățile sale de valență; legăturile nesaturate se formează atunci când numărul de electroni atașați este mai mic decât capacitățile de valență ale atomului); direcționalitate (această valoare este legată de geometria moleculei și de conceptul de „unghi de legătură” - unghiul dintre legături).

Legătură ionică

Nu există compuși cu o legătură ionică pură, deși aceasta este înțeleasă ca o stare legată chimic a atomilor în care se creează un mediu electronic stabil al atomului atunci când densitatea totală a electronilor este complet transferată la atomul unui element mai electronegativ. Legătura ionică este posibilă numai între atomii elementelor electronegative și electropozitive care se află în starea ionilor încărcați opus - cationi și anioni.

DEFINIȚIE

Ion sunt particule încărcate electric formate prin îndepărtarea sau adăugarea unui electron la un atom.

La transferul unui electron, atomii metalici și nemetalici tind să formeze o configurație stabilă a învelișului de electroni în jurul nucleului lor. Un atom nemetalic creează un înveliș al gazului inert ulterior în jurul miezului său, iar un atom de metal creează un înveliș al gazului inert anterior (Fig. 3).

Orez. 3. Formarea unei legături ionice folosind exemplul unei molecule de clorură de sodiu

Moleculele în care există legături ionice în formă pură se găsesc în starea de vapori a substanței. Legătura ionică este foarte puternică și, prin urmare, substanțele cu această legătură au un punct de topire ridicat. Spre deosebire de legăturile covalente, legăturile ionice nu sunt caracterizate prin direcționalitate și saturație, deoarece câmp electric, creat de ioni, acționează în mod egal asupra tuturor ionilor datorită simetriei sferice.

Conexiune metalica

Legătura metalică se realizează numai în metale - aceasta este interacțiunea care ține atomii de metal într-o singură rețea. Doar electronii de valență ai atomilor de metal care aparțin întregului său volum participă la formarea unei legături. În metale, electronii sunt îndepărtați în mod constant din atomi și se mișcă în întreaga masă a metalului. Atomii de metal, lipsiți de electroni, se transformă în ioni încărcați pozitiv, care tind să accepte electronii în mișcare. Acest proces continuu formează așa-numitul „gaz de electroni” în interiorul metalului, care leagă ferm toți atomii de metal împreună (Fig. 4).

Legătura metalică este puternică, prin urmare metalele se caracterizează printr-un punct de topire ridicat, iar prezența „gazului de electroni” conferă metalelor maleabilitate și ductilitate.

Legătură de hidrogen

O legătură de hidrogen este o interacțiune intermoleculară specifică, deoarece apariția și rezistența sa depind de natura chimică a substanței. Se formează între molecule în care un atom de hidrogen este legat de un atom cu electronegativitate mare (O, N, S). Apariția unei legături de hidrogen depinde de două motive: în primul rând, atomul de hidrogen asociat cu un atom electronegativ nu are electroni și poate fi ușor încorporat în norii de electroni ai altor atomi și, în al doilea rând, având un orbital s de valență, atomul de hidrogen este capabil să accepte o pereche de electroni a unui atom electronegativ și să formeze o legătură cu acesta prin mecanismul donor-acceptor.

Atomii majorității elementelor nu există separat, deoarece pot interacționa între ei. Această interacțiune produce particule mai complexe.

Natura unei legături chimice este acțiunea forțelor electrostatice, care sunt forțele de interacțiune dintre sarcinile electrice. Electronii și nucleele atomice au astfel de sarcini.

Electronii aflați la nivelurile electronice exterioare (electronii de valență), fiind cei mai îndepărtați de nucleu, interacționează cu acesta cel mai slab și, prin urmare, sunt capabili să se desprindă de nucleu. Ei sunt responsabili pentru legarea atomilor între ei.

Tipuri de interacțiuni în chimie

Tipurile de legături chimice pot fi prezentate în următorul tabel:

Caracteristicile legăturii ionice

Reacție chimică care are loc din cauza atracție ionică având sarcini diferite se numește ionic. Acest lucru se întâmplă dacă atomii care sunt legați au o diferență semnificativă de electronegativitate (adică capacitatea de a atrage electroni) și perechea de electroni merge la elementul mai electronegativ. Rezultatul acestui transfer de electroni de la un atom la altul este formarea de particule încărcate - ioni. Între ei apare o atracție.

Au cei mai mici indici de electronegativitate metale tipice, iar cele mai mari sunt nemetale tipice. Ionii sunt astfel formați prin interacțiunea dintre metalele tipice și nemetalele tipice.

Atomii de metal devin ioni încărcați pozitiv (cationi), donând electroni nivelurilor lor exterioare de electroni, iar nemetalele acceptă electroni, transformându-se astfel în încărcat negativ ioni (anioni).

Atomii se mută într-o stare energetică mai stabilă, completându-și configurațiile electronice.

Legătura ionică este nedirecțională și nesaturabilă, deoarece interacțiunea electrostatică are loc în toate direcțiile; în consecință, ionul poate atrage ioni de semn opus în toate direcțiile.

Dispunerea ionilor este astfel încât în ​​jurul fiecăruia există un anumit număr de ioni încărcați opus. Conceptul de „moleculă” pentru compuși ionici nu are sens.

Exemple de educație

Formarea unei legături în clorura de sodiu (nacl) se datorează transferului unui electron de la atomul de Na la atomul de Cl pentru a forma ionii corespunzători:

Na 0 - 1 e = Na + (cation)

Cl 0 + 1 e = Cl - (anion)

În clorura de sodiu, există șase anioni de clorură în jurul cationilor de sodiu și șase ioni de sodiu în jurul fiecărui ion de clorură.

Când se formează interacțiunea între atomi din sulfura de bariu, au loc următoarele procese:

Ba 0 - 2 e = Ba 2+

S 0 + 2 e = S 2-

Ba donează cei doi electroni ai săi sulfului, rezultând formarea de anioni de sulf S 2- și cationi de bariu Ba 2+.

Legături metalice chimice

Numărul de electroni din nivelurile exterioare de energie ale metalelor este mic; aceștia sunt ușor separați de nucleu. În urma acestei detașări, se formează ioni metalici și electroni liberi. Acești electroni sunt numiți „gazul de electroni”. Electronii se mișcă liber în volumul metalului și sunt legați și separați în mod constant de atomi.

Structura substanței metalice este următoarea: rețeaua cristalină este scheletul substanței, iar între nodurile sale electronii se pot mișca liber.

Se pot da următoarele exemple:

Mg - 2e<->Mg 2+

Cs-e<->Cs+

Ca - 2e<->Ca2+

Fe-3e<->Fe 3+

Covalent: polar și nepolar

Cel mai comun tip de interacțiune chimică este o legătură covalentă. Valorile electronegativității elementelor care interacționează nu diferă brusc; prin urmare, are loc doar o schimbare a perechii de electroni comune la un atom mai electronegativ.

Interacțiunile covalente pot fi formate printr-un mecanism de schimb sau un mecanism donor-acceptor.

Mecanismul de schimb se realizează dacă fiecare dintre atomi are electroni nepereche la nivelurile electronice exterioare și suprapunerea orbitalilor atomici duce la apariția unei perechi de electroni care aparține deja ambilor atomi. Când unul dintre atomi are o pereche de electroni la nivelul electronic exterior, iar celălalt are un orbital liber, atunci când orbitalii atomici se suprapun, perechea de electroni este împărțită și interacționează conform mecanismului donor-acceptor.

Cele covalente sunt împărțite prin multiplicitate în:

• simplu sau singur;
• dubla;
• triple.

Cele duble asigură partajarea a două perechi de electroni simultan, iar cele triple - trei.

În funcție de distribuția densității electronilor (polarității) între atomii legați, o legătură covalentă este împărțită în:

• nepolar;
• polar.

O legătură nepolară este formată din atomi identici, iar o legătură polară este formată prin electronegativitate diferită.

Interacțiunea atomilor cu electronegativitate similară se numește legătură nepolară. Perechea comună de electroni dintr-o astfel de moleculă nu este atrasă de niciunul dintre atomi, ci aparține în mod egal ambilor.

Interacțiunea elementelor care diferă în electronegativitate duce la formarea de legături polare. În acest tip de interacțiune, perechile de electroni partajate sunt atrase de elementul mai electronegativ, dar nu sunt transferate complet la acesta (adică nu are loc formarea ionilor). Ca urmare a acestei schimbări a densității electronilor, pe atomi apar sarcini parțiale: cu cât cel mai electronegativ are o sarcină negativă, iar cel mai puțin electronegativ are o sarcină pozitivă.

Proprietăți și caracteristici ale covalenței

Principalele caracteristici ale unei legături covalente:

• Lungimea este determinată de distanța dintre nucleele atomilor care interacționează.
• Polaritatea este determinată de deplasarea norului de electroni către unul dintre atomi.
• Direcționalitatea este proprietatea de a forma legături orientate în spațiu și, în consecință, molecule având anumite forme geometrice.
• Saturația este determinată de capacitatea de a forma un număr limitat de legături.
• Polarizabilitatea este determinată de capacitatea de a schimba polaritatea sub influența unui câmp electric extern.
• Energia necesară pentru a rupe o legătură determină rezistența acesteia.

Un exemplu de interacțiune covalentă nepolară pot fi moleculele de hidrogen (H2), clor (Cl2), oxigen (O2), azot (N2) și multe altele.

H· + ·H → molecula H-H are o singură legătură nepolară,

O: + :O → O=O molecula are un dublu nepolar,

Ṅ: + Ṅ: → N≡N molecula este triplu nepolară.

Exemple de legături covalente ale elementelor chimice includ molecule de dioxid de carbon (CO2) și monoxid de carbon (CO), hidrogen sulfurat (H2S), acid clorhidric (HCL), apă (H2O), metan (CH4), oxid de sulf (SO2) și multe altele .

În molecula de CO2, relația dintre atomii de carbon și oxigen este polară covalentă, deoarece hidrogenul mai electronegativ atrage densitatea electronilor. Oxigenul are doi electroni nepereche în învelișul exterior, în timp ce carbonul poate furniza patru electroni de valență pentru a forma interacțiunea. Ca urmare, se formează legături duble și molecula arată astfel: O=C=O.

Pentru a determina tipul de legătură într-o anumită moleculă, este suficient să luăm în considerare atomii ei constitutivi. Substanțele metalice simple formează o legătură metalică, metalele cu nemetale formează o legătură ionică, substanțele simple nemetalice formează o legătură nepolară covalentă, iar moleculele formate din diferite nemetale se formează printr-o legătură covalentă polară.

Se știe că învelișurile de electroni conțin opt electroni exteriori, dintre care doi sunt localizați pe s- orbitali și șase - pe R-orbitali, au stabilitate crescută. Se potrivesc gaze inerte : neon, argon, krypton, xenon, radon (găsește-le în tabelul periodic). Atomul de heliu, care conține doar doi electroni, este și mai stabil. Atomii tuturor celorlalte elemente tind să aducă configurația lor electronică mai aproape de configurația electronică a celui mai apropiat gaz inert. Acest lucru se poate face în două moduri - prin donarea sau adăugarea de electroni de la nivelul exterior.

Este mai profitabil ca un atom de sodiu, care are un singur electron nepereche, să renunțe la el, astfel atomul primește o sarcină (devine un ion) și capătă configurația electronică a neonului gaz inert.

Atomul de clor nu are decât un electron la configurația celui mai apropiat gaz inert, așa că se străduiește să dobândească un electron.

Fiecare element, într-o măsură mai mare sau mai mică, are capacitatea de a atrage electroni, care se caracterizează numeric prin valoarea electronegativitatea. În consecință, cu cât electronegativitatea unui element este mai mare, cu atât atrage electronii mai puternic și cu atât proprietățile sale de oxidare sunt mai pronunțate.

Dorința atomilor de a dobândi un înveliș de electroni stabil explică motivul formării moleculelor.

Definiție

Legătură chimică- aceasta este interacțiunea atomilor, care determină stabilitatea unei molecule chimice sau a unui cristal în ansamblu.

TIPURI DE LEGĂTURI CHIMICE

Există 4 tipuri principale de legături chimice:

Luați în considerare interacțiunea a doi atomi cu aceleași valori de electronegativitate, de exemplu doi atomi de clor. Fiecare dintre ele are șapte electroni de valență. Sunt cu un electron mai puțin de configurația electronică a celui mai apropiat gaz inert.

Adunarea a doi atomi la o anumită distanță duce la formarea unei perechi de electroni comune care aparține simultan ambilor atomi. Această pereche comună reprezintă o legătură chimică. Același lucru se întâmplă și în cazul moleculei de hidrogen. Hidrogenul are un singur electron nepereche și este cu un electron mai puțin de configurația celui mai apropiat gaz inert (heliu). Astfel, atunci când doi atomi de hidrogen se apropie unul de celălalt, ei formează o pereche de electroni comună.

Definiție

Legătura dintre atomii nemetalici care apare atunci când electronii interacționează pentru a forma perechi de electroni comune se numește covalent.

Dacă atomii care interacționează au valori egale de electronegativitate, perechea de electroni partajată aparține în mod egal ambilor atomi, adică este situată la o distanță egală de ambii atomi. Această legătură covalentă se numește nepolar.

Definiție

Legătură covalentă nepolară- legatura chimica intre atomi nemetalici cu valori de electronegativitate egale sau similare. În acest caz, perechea de electroni comună aparține în mod egal ambilor atomi și nu se observă nicio schimbare a densității electronilor.

Legăturile nepolare covalente apar în substanțe nemetalice simple: $\mathrm(O)_2, \mathrm(N)_2, \mathrm(Cl)_2, \mathrm(P)_4, \mathrm(O)_3$. Când atomii care au valori diferite de electronegativitate, cum ar fi hidrogenul și clorul, interacționează, perechea de electroni partajată este deplasată către atomul cu electronegativitate mai mare, adică spre clor. Atomul de clor capătă o sarcină negativă parțială, iar atomul de hidrogen capătă o sarcină pozitivă parțială. Acesta este un exemplu de legătură covalentă polară.

Definiție

O legătură formată din elemente nemetalice cu electronegativitate diferită se numește polar covalent.În acest caz, densitatea electronilor se deplasează către elementul mai electronegativ.

Se numește o moleculă în care centrele sarcinilor pozitive și negative sunt separate dipol. Legătura polară are loc între atomi cu electronegativitate diferită, dar nu foarte diferită, de exemplu între diferite nemetale. Exemple de compuși cu legături covalente polare sunt îmbinarea nemetalelor între ele, precum și diverși ioni, care conține atomi nemetalici $(\mathrm(NO)_3–, \mathrm(CH)_3\mathrm(COO)–)$. Există în special mulți compuși polari covalenti printre substanțele organice.

Dacă diferența de electronegativitate a elementelor este mare, nu se va produce doar o schimbare a densității electronilor, ci și un transfer complet al unui electron de la un atom la altul. Să luăm în considerare acest lucru folosind exemplul de fluorură de sodiu NaF. După cum am văzut mai devreme, atomul de sodiu este dornic să cedeze un electron, iar atomul de fluor este gata să-l accepte. Acest lucru este ușor de realizat în timpul interacțiunii lor, care este însoțită de un transfer de electroni.

În acest caz, atomul de sodiu își transferă complet electronul către atomul de fluor: sodiul pierde un electron și devine încărcat pozitiv, iar clorul câștigă un electron și devine negativ.

Definiție

Se numesc atomii și grupurile de atomi care poartă o sarcină ionii.

În molecula rezultată - clorură de sodiu $Na^+F^-$ - legătura are loc datorită atracției electrostatice a ionilor încărcați opus. Această conexiune se numește ionic. Se realizează între metale tipice și nemetale, adică între atomi cu valori de electronegativitate foarte diferite.

Definiție

Legătură ionică formată din cauza forțelor de atracție electrostatică dintre ionii încărcați opus – cationi și anioni.

Există un alt tip de conexiune - metal, caracteristica substantelor simple - metale. Se caracterizează prin atracția atomilor de metal parțial ionizati și a electronilor de valență, formând un singur nor de electroni („gazul de electroni”). Electronii de valență din metale sunt delocalizați și aparțin simultan tuturor atomilor de metal, mișcându-se liber în întregul cristal. Astfel, conexiunea este multicentrică. În metalele de tranziție, legătura metalică este parțial covalentă în natură, deoarece este completată de suprapunerea orbitalilor d ai stratului exterior parțial umplut cu electroni. Metalele formează rețele cristaline metalice. Este descris în detaliu în subiectul „Legătura metalică și caracteristicile sale”.

interacțiuni intermoleculare

Un exemplu de interacțiune intermoleculară puternică

este hidrogenaceastă legătură, format între un atom de hidrogen al unei molecule și un atom cu electronegativitate mare ($\mathrm(F)$, $\mathrm(O)$, $\mathrm(N)$). Un exemplu de legătură de hidrogen este interacțiunea dintre moleculele de apă $\mathrm(O)_2\mathrm(O)…\mathrm(OH)_2$, amoniacul și moleculele de apă $\mathrm(H)_3\mathrm(N)... \mathrm(OH) _2$, metanol și apă $\mathrm(CH)_3\mathrm(OH)…\mathrm(OH)_2$, precum și diverse părți ale moleculelor de proteine, polizaharide, acizi nucleici.

Un alt exemplu de interacțiune intermoleculară este forțele van der Waals, care apar în timpul polarizării moleculelor și formării dipolilor. Ele provoacă legături între straturi de atomi în cristale stratificate (cum ar fi structura grafitului).

Caracteristicile unei legături chimice

Legătura chimică este caracterizată lungime, energie, direcțieȘi saturare(fiecare atom este capabil să formeze un număr limitat de legături). Multiplicitatea legăturilor este egală cu numărul de perechi de electroni partajați. Forma moleculelor este determinată de tipul de nori de electroni implicați în formarea legăturii, precum și de prezența sau absența perechilor de electroni singuri. Deci, de exemplu, molecula $\mathrm(CO)_2$ este liniară (nu există perechi de electroni singuri), iar $\mathrm(H)_2\mathrm(O)$ și $\mathrm(SO)_2$ sunt perechi de colț (există perechi de perechi singuratice). Dacă atomii care interacționează au valori de electronegativitate foarte diferite, perechea de electroni partajată este aproape complet deplasată către atomii cu cea mai mare electronegativitate. O legătură ionică poate fi astfel considerată ca un caz extrem al unei legături covalente polare, când un electron este aproape complet transferat de la un atom la altul. În realitate, deplasarea completă nu are loc niciodată, adică nu există substanțe absolut ionice. De exemplu, în $\mathrm(NaCl)$ sarcinile reale ale atomilor sunt +0,92 și –0,92, nu +1 și –1.

Legătura ionică are loc în compuși ai metalelor tipice cu nemetale și reziduuri acide, și anume în oxizi metalici ($\mathrm(CaO)$, $\mathrm(Al)_2\mathrm(O)_3$), alcalii ($\mathrm(NaOH) ) )$, $\mathrm(Ca(OH))_2$) și săruri ($\mathrm(NaCl)$, $\mathrm(K)_2\mathrm(S)$, $\mathrm(K)_2\mathrm ( SO)_4$, $\mathrm(NH)_4\mathrm(Cl)$, $\mathrm(CH)_3\mathrm(NH)_3^+$, $\mathrm(Cl^–)$).

mecanisme de formare a legăturilor chimice

Legătura chimică covalentă, varietățile și mecanismele sale de formare. Caracteristicile legăturilor covalente (polaritatea și energia de legătură). Legătură ionică. Conexiune metalica. Legătură de hidrogen

Doctrina legăturii chimice formează baza întregii chimie teoretice.

O legătură chimică este înțeleasă ca interacțiunea atomilor care îi leagă în molecule, ioni, radicali și cristale.

Există patru tipuri de legături chimice: ionice, covalente, metalice și hidrogen.

Împărțirea legăturilor chimice în tipuri este condiționată, deoarece toate sunt caracterizate de o anumită unitate.

O legătură ionică poate fi considerată un caz extrem al unei legături covalente polare.

O legătură metalică combină interacțiunea covalentă a atomilor folosind electroni în comun și atracția electrostatică dintre acești electroni și ionii metalici.

Substanțelor le lipsesc adesea cazuri limitative de legătură chimică (sau legătură chimică pură).

De exemplu, fluorura de litiu $LiF$ este clasificată ca un compus ionic. De fapt, legătura din acesta este de 80%$ ionică și 20%$ covalentă. Prin urmare, este mai corect, evident, să vorbim despre gradul de polaritate (ionicitate) al unei legături chimice.

În seria de halogenuri de hidrogen $HF—HCl—HBr—HI—HAt$ gradul de polaritate a legăturii scade, deoarece diferența de electronegativitate a atomilor de halogen și hidrogen scade, iar în hidrogen astatin legătura devine aproape nepolară $(EO(H) = 2,1; EO(At) = 2,2)$.

Diferite tipuri de legături pot fi găsite în aceleași substanțe, de exemplu:

1. in baze: intre atomii de oxigen si hidrogen din grupele hidroxo legatura este polara covalenta, iar intre metal si gruparea hidroxo este ionica;
2. în sărurile acizilor care conţin oxigen: între atomul nemetal şi oxigenul reziduului acid - polar covalent, iar între metal şi restul acid - ionic;
3. în săruri de amoniu, metilamoniu etc.: între atomii de azot și hidrogen - polar covalent, iar între ionii de amoniu sau de metilamoniu și restul acid - ionic;
4. în peroxizii metalici (de exemplu, $Na_2O_2$), legătura dintre atomii de oxigen este covalentă nepolară, iar între metal și oxigen este ionică etc.

Diferite tipuri de conexiuni se pot transforma unele în altele:

— în timpul disocierii electrolitice a compușilor covalenti în apă, legătura polară covalentă se transformă într-o legătură ionică;

- când metalele se evaporă, legătura metalică se transformă într-o legătură covalentă nepolară etc.

Motivul unității tuturor tipurilor și tipurilor de legături chimice este identic natura chimica— interacțiunea electron-nuclear. Formarea unei legături chimice este în orice caz rezultatul interacțiunii electron-nucleare a atomilor, însoțită de eliberarea de energie.

Metode de formare a legăturilor covalente. Caracteristicile unei legături covalente: lungimea legăturii și energia

O legătură chimică covalentă este o legătură formată între atomi prin formarea de perechi de electroni partajați.

Mecanismul de formare a unei astfel de legături poate fi schimbător sau donor-acceptor.

eu. Mecanism de schimb funcționează atunci când atomii formează perechi de electroni partajați prin combinarea electronilor neperechi.

1) $H_2$ - hidrogen:

Legătura apare ca urmare a formării unei perechi de electroni comune de către $s$-electroni ai atomilor de hidrogen (suprapunerea $s$-orbitali):

2) $HCl$ - acid clorhidric:

Legătura apare ca urmare a formării unei perechi de electroni comune de $s-$ și $p-$electroni (suprapunerea $s-p-$orbitali):

3) $Cl_2$: într-o moleculă de clor se formează o legătură covalentă datorită $p-$electronilor nepereche (suprapune $p-p-$orbitali):

4) $N_2$: într-o moleculă de azot se formează trei perechi de electroni comuni între atomi:

II. Mecanismul donor-acceptor Să luăm în considerare formarea unei legături covalente folosind exemplul ionului de amoniu $NH_4^+$.

Donatorul are o pereche de electroni, acceptorul are un orbital gol pe care această pereche îl poate ocupa. În ionul de amoniu, toate cele patru legături cu atomii de hidrogen sunt covalente: trei s-au format datorită creării de perechi de electroni comuni de către atomul de azot și atomii de hidrogen conform mecanismului de schimb, una - prin mecanismul donor-acceptator.

Legăturile covalente pot fi clasificate după modul în care se suprapun orbitalii electronilor, precum și prin deplasarea lor către unul dintre atomii legați.

Legăturile chimice formate ca urmare a suprapunerii orbitalilor electronilor de-a lungul unei linii de legătură se numesc $σ$ -legături (legături sigma). Legătura sigma este foarte puternică.

$p-$orbitalii se pot suprapune în două regiuni, formând o legătură covalentă datorită suprapunerii laterale:

Legături chimice formate ca urmare a suprapunerii „laterale” a orbitalilor de electroni în afara liniei de comunicație, adică în două zone se numesc $π$ -legaturi (pi-legaturi).

De gradul de deplasare perechile de electroni partajate de unul dintre atomii pe care îi leagă, poate fi o legătură covalentă polarȘi nepolar.

O legătură chimică covalentă formată între atomi cu aceeași electronegativitate se numește nepolar. Perechile de electroni nu sunt deplasate la niciunul dintre atomi, deoarece atomii au același EO - proprietatea de a atrage electroni de valență de la alți atomi. De exemplu:

acestea. moleculele de substanțe nemetalice simple se formează prin legături covalente nepolare. O legătură chimică covalentă între atomii elementelor a căror electronegativitate diferă se numește polar.

Lungimea și energia legăturilor covalente.

Caracteristică proprietățile legăturii covalente- lungimea și energia acestuia. Lungimea link-ului este distanța dintre nucleele atomilor. Cu cât lungimea unei legături chimice este mai mică, cu atât aceasta este mai puternică. Cu toate acestea, o măsură a puterii conexiunii este energie de legătură, care este determinată de cantitatea de energie necesară pentru a rupe o legătură. Se măsoară de obicei în kJ/mol. Astfel, conform datelor experimentale, lungimile legăturilor moleculelor $H_2, Cl_2$ și $N_2$ sunt, respectiv, $0,074, 0,198$ și $0,109$ nm, iar energiile de legătură sunt, respectiv, $436, 242$ și $946$ kJ/mol.

Ioni. Legătură ionică

Să ne imaginăm că doi atomi „se întâlnesc”: un atom al unui metal din grupa I și un atom nemetal al grupului VII. Un atom de metal are un singur electron la nivelul său de energie exterior, în timp ce unui atom nemetal îi lipsește doar un electron pentru ca nivelul său exterior să fie complet.

Primul atom îi va oferi cu ușurință celui de-al doilea electronul său, care este departe de nucleu și slab legat de acesta, iar al doilea îi va oferi un loc liber la nivelul său electronic exterior.

Apoi atomul, lipsit de una dintre sarcinile sale negative, va deveni o particulă încărcată pozitiv, iar a doua se va transforma într-o particulă încărcată negativ datorită electronului rezultat. Astfel de particule sunt numite ionii.

Legătura chimică care are loc între ioni se numește ionică.

Să luăm în considerare formarea acestei legături folosind exemplul compusului binecunoscut clorură de sodiu (sare de masă):

Procesul de transformare a atomilor în ioni este descris în diagramă:

Această transformare a atomilor în ioni are loc întotdeauna în timpul interacțiunii atomilor de metale tipice și nemetale tipice.

Să luăm în considerare algoritmul (secvența) raționamentului atunci când înregistrăm formarea unei legături ionice, de exemplu, între atomii de calciu și clor:

Se numesc numere care arată numărul de atomi sau molecule coeficienți, iar numerele care arată numărul de atomi sau ioni dintr-o moleculă sunt numite indici.

Conexiune metalica

Să ne familiarizăm cu modul în care atomii elementelor metalice interacționează între ei. De obicei, metalele nu există ca atomi izolați, ci sub formă de bucată, lingou sau produs metalic. Ce ține atomii de metal într-un singur volum?

Atomii majorității metalelor conțin un număr mic de electroni la nivelul exterior - $1, 2, 3$. Acești electroni sunt îndepărtați cu ușurință, iar atomii devin ioni pozitivi. Electronii detașați se deplasează de la un ion la altul, legându-i într-un singur întreg. Conectându-se cu ionii, acești electroni formează temporar atomi, apoi se desprind din nou și se combină cu un alt ion etc. În consecință, în volumul metalului, atomii sunt transformați continuu în ioni și invers.

Legătura metalelor dintre ioni prin electroni împărțiți se numește metalică.

Figura prezintă schematic structura unui fragment de sodiu metalic.

În acest caz, un număr mic de electroni împărtășiți leagă un număr mare de ioni și atomi.

O legătură metalică are unele asemănări cu o legătură covalentă, deoarece se bazează pe împărțirea electronilor externi. Cu toate acestea, cu o legătură covalentă, electronii exteriori nepereche ai doar doi atomi vecini sunt împărțiți, în timp ce cu o legătură metalică, toți atomii iau parte la împărțirea acestor electroni. De aceea, cristalele cu o legătură covalentă sunt fragile, dar cu o legătură metalică, de regulă, sunt ductile, conductoare electric și au un luciu metalic.

Legătura metalică este caracteristică atât metalelor pure, cât și amestecurilor de diferite metale - aliaje în stare solidă și lichidă.

Legătură de hidrogen

O legătură chimică între atomii de hidrogen polarizați pozitiv ai unei molecule (sau o parte a acesteia) și atomii polarizați negativ ai elementelor puternic electronegative având perechi de electroni singuri ($F, O, N$ și mai rar $S$ și $Cl$) ai altei molecule (sau partea sa) se numește hidrogen.

Mecanismul de formare a legăturii de hidrogen este parțial electrostatic, parțial de natură donor-acceptor.

Exemple de legături de hidrogen intermoleculare:

În prezența unei astfel de conexiuni, chiar și substanțele cu molecularitate scăzută pot fi, în condiții normale, lichide (alcool, apă) sau gaze ușor lichefiate (amoniac, fluorură de hidrogen).

Substanțele cu legături de hidrogen au rețele moleculare de cristal.

Substanțe cu structură moleculară și nemoleculară. Tip de rețea cristalină. Dependența proprietăților substanțelor de compoziția și structura lor

Structura moleculară și nemoleculară a substanțelor

Nu atomii sau moleculele individuali intră în interacțiuni chimice, ci substanțele. În condiții date, o substanță se poate afla în una dintre cele trei stări de agregare: solidă, lichidă sau gazoasă. Proprietățile unei substanțe depind și de natura legăturii chimice dintre particulele care o formează - molecule, atomi sau ioni. Pe baza tipului de legătură, se disting substanțele cu structură moleculară și nemoleculară.

Substanțele formate din molecule se numesc substanțe moleculare. Legăturile dintre moleculele din astfel de substanțe sunt foarte slabe, mult mai slabe decât între atomii din interiorul moleculei și chiar și la temperaturi relativ scăzute se rup - substanța se transformă în lichid și apoi în gaz (sublimarea iodului). Punctele de topire și de fierbere ale substanțelor formate din molecule cresc odată cu creșterea greutății moleculare.

Substanțele moleculare includ substanțe cu structură atomică ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), printre acestea se numără metale și nemetale.

Sa luam in considerare proprietăți fizice Metale alcaline. Rezistența relativ scăzută a legăturii dintre atomi determină o rezistență mecanică scăzută: metalele alcaline sunt moi și pot fi tăiate cu ușurință cu un cuțit.

Dimensiunile atomice mari duc la densități scăzute ale metalelor alcaline: litiul, sodiul și potasiul sunt chiar mai ușoare decât apa. În grupul metalelor alcaline, punctele de fierbere și de topire scad odată cu creșterea numărului atomic al elementului, deoarece Dimensiunile atomilor cresc și legăturile slăbesc.

La substanțe nemoleculare structurile includ compuși ionici. Majoritatea compușilor metalelor cu nemetale au această structură: toate sărurile ($NaCl, K_2SO_4$), unele hidruri ($LiH$) și oxizi ($CaO, MgO, FeO$), baze ($NaOH, KOH$). Substanțele ionice (nemoleculare) au puncte de topire și de fierbere ridicate.

Grile de cristal

Materia, după cum se știe, poate exista în trei stări de agregare: gazoasă, lichidă și solidă.

Solide: amorfe și cristaline.

Să luăm în considerare modul în care caracteristicile legăturilor chimice influențează proprietățile solidelor. Solidele sunt împărțite în cristalinȘi amorf.

Substanțele amorfe nu au un punct de topire clar; atunci când sunt încălzite, se înmoaie treptat și se transformă într-o stare fluidă. De exemplu, plastilina și diverse rășini sunt într-o stare amorfă.

Sunt caracterizate substanțele cristaline locația corectă acele particule din care constau: atomi, molecule și ioni - în puncte strict definite din spațiu. Când aceste puncte sunt conectate prin linii drepte, se formează un cadru spațial, numit rețea cristalină. Punctele în care sunt localizate particulele de cristal se numesc noduri de rețea.

În funcție de tipul de particule situate la nodurile rețelei cristaline și de natura conexiunii dintre ele, se disting patru tipuri de rețele cristaline: ionic, atomic, molecularȘi metal.

Rețele cristaline ionice.

ionic se numesc rețele cristaline, în nodurile cărora se află ioni. Sunt formate din substanțe cu legături ionice, care pot lega atât ionii simpli $Na^(+), Cl^(-)$, cât și complexi $SO_4^(2−), OH^-$. În consecință, sărurile și unii oxizi și hidroxizi ai metalelor au rețele cristaline ionice. De exemplu, un cristal de clorură de sodiu este alternând ioni pozitivi $Na^+$ și negativi $Cl^-$, formând o rețea în formă de cub. Legăturile dintre ionii dintr-un astfel de cristal sunt foarte stabile. Prin urmare, substanțele cu o rețea ionică se caracterizează prin duritate și rezistență relativ ridicate, sunt refractare și nevolatile.

Rețele cristaline atomice.

Atomic se numesc rețele cristaline, în nodurile cărora se află atomi individuali. În astfel de rețele, atomii sunt legați între ei prin legături covalente foarte puternice. Un exemplu de substanțe cu acest tip de rețele cristaline este diamantul, una dintre modificările alotropice ale carbonului.

Majoritatea substanțelor cu o rețea cristalină atomică au puncte de topire foarte mari (de exemplu, pentru diamant este peste 3500°C), sunt puternice și dure și practic insolubile.

Rețele cristaline moleculare.

Molecular numite rețele cristaline, în nodurile cărora se află molecule. Legăturile chimice din aceste molecule pot fi atât polare ($HCl, H_2O$) cât și nepolare ($N_2, O_2$). În ciuda faptului că atomii din interiorul moleculelor sunt legați prin legături covalente foarte puternice, forțe intermoleculare slabe de atracție acționează între molecule înseși. Prin urmare, substanțele cu rețele de cristal moleculare au duritate scăzută, puncte de topire scăzute și sunt volatile. Cel mai solid compusi organici au rețele cristaline moleculare (naftalină, glucoză, zahăr).

Rețele de cristal metalice.

Substanțele cu legături metalice au rețele cristaline metalice. În locurile unor astfel de rețele există atomi și ioni (fie atomi, fie ioni, în care atomii de metal se transformă ușor, renunțând la electronii lor exteriori „pentru a uz comun"). Această structură internă a metalelor determină proprietățile fizice caracteristice ale acestora: maleabilitate, ductilitate, conductivitate electrică și termică, luciu metalic caracteristic.

Legătura chimică este un fenomen de interacțiune a atomilor cauzat de suprapunerea norilor de electroni a particulelor de legare, care este însoțit de o scădere a energiei totale a sistemului.

Când se formează o legătură chimică covalentă, interacțiunea de schimb joacă un rol important în reducerea energiei totale.

Principiul de bază al formării moleculelor din atomi este dorința de energie minimă și stabilitate maximă (exemplu: H (g) + H (g) = H 2 (g) + 435 kJ/mol energie).

Tipuri de legături chimice:

1. Legătură covalentă- conectarea atomilor datorita socializarii unei perechi de electroni cu spini antiparaleli. Între nemetale apare o legătură nepolară covalentă, diferența de electronegativitate dintre ele este mică: 03; E.O.(P)=2,1; E.O.(H)=2,2; D E.O.=0,1). În consecință, între elementele cu electronegativitate ridicată apare o legătură polară covalentă: 0,4

2. Legătură ionică este o legătură între ioni, adică o legătură între atomi. Cauzat de interacțiunea electrostatică a ionilor încărcați opus. Considerat ca un caz separat al unei legături polare covalente. Pentru o legătură ionică D E.O.>2 (exemplu: NaCl E.O.(Na)=0,9; E.O.(Cl)=3,1; D E.O.=2,2).

3. Legătură de hidrogen- o legătură cauzată de un hidrogen polarizat pozitiv dintr-o moleculă și un atom electronegativ al altei sau aceleiași molecule.

4. Conexiune metalica- o conexiune cauzată de interacțiunea electrostatică dintre electronii de valență delocalizați socializați și cationii încărcați pozitiv la locurile rețelei cristaline.

Principalele caracteristici ale unei legături covalente:

1. Energia de legătură chimică(E xc) - determină puterea de legătură. Această energie este necesară pentru a transforma un mol dintr-o substanță gazoasă (moleculară) în atomi gazoși individuali. Energia legăturii covalente este de ordinul 10-1000 kJ/mol.

2. Lungimea legăturii chimice(L xc) este distanța dintre nucleele atomilor legați chimic. Cu cât lungimea legăturii chimice este mai mică, cu atât legătura este mai puternică. Lungimea legăturii chimice este de ordinul 0,1-0,3 nm.

3. Polaritatea unei legături chimice- distribuția neuniformă a densității electronice între atomi dintr-o moleculă din cauza electronegativității diferite. În moleculele nepolare, centrele de greutate ale sarcinilor pozitive și negative coincid. Moleculele polare sunt dipoli.

4. Polarizabilitate- capacitatea densității electronice devine polară ca urmare a acțiunii unui câmp electric extern asupra moleculei - în special câmpul altor molecule care reacționează.

5. Concentrează-te- o direcție specifică a legăturii chimice care apare ca urmare a suprapunerii norilor de electroni. Direcționalitatea este determinată de structura moleculei.

Mecanismul de apariție a legăturilor covalente:

1. Schimb - mecanismul de formare a unei legături covalente prin împărțirea electronilor neperechi ai altor atomi.

2. Donor-acceptor - un mecanism pentru formarea unei legături covalente, în care un atom având o pereche de electroni singuratic (donator) oferă orbitalul său liber altui atom (acceptor).

Interacțiunile intermoleculare includ: orientațional - dipol-dipol; inducție - dipol-nu-dipol și dispersive - datorită microdipolilor.