LEGĂTURĂ CHIMICĂ: CARACTERISTICI, MOD DE FORMARE, TIPURI - CHIMIE - 2025

Legătura 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 leagă atomii în gaze sunt diferite, de exemplu, de la metale.

Toate elementele tabelului periodic (cu excepția heliului și a gazelor nobile ușoare) pot forma legături chimice unele cu altele. 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.

Sursa: De Ymwang42 (discuție) .Ymwang42 la en.wikipedia, de la Wikimedia Commons

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 faptul că au legături ionice (mare ΔE), iar mulți dintre compușii organici, cum ar fi vitamina B ₁₂ (imaginea superioară), au legături covalente (scăzute ΔE).

În structura moleculară superioară, fiecare dintre linii reprezintă o legătură covalentă. Panele indică faptul că legătura iese din plan (spre cititor), iar cele subliniate din spatele avionului (departe de cititor). Rețineți că există legături duble (=) și un atom de cobalt coordonat cu cinci atomi de azot și un lanț 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 norii de electroni și nuclei și atracția exercitată de un nucleu asupra electronilor atomului vecin.

Definiția chemical bond

Mulți autori au dat definiții ale legăturii chimice. Dintre toate, cel mai important a fost cel al fizico-chimistului GN Lewis, care a definit legătura chimică drept participarea unei perechi de electroni între doi atomi. Dacă atomii A · și · B pot contribui cu un singur electron, atunci între ei se va forma legătura unică A: B sau A - B.

Înainte de formarea legăturii, ambele A și B sunt separate printr-o distanță nedeterminată, dar în legătură există acum o forță care le ține împreună în compusul diatomic AB și o distanță (sau lungime) a legăturii.

caracteristici

Sursa: Gabriel Bolívar

Care sunt caracteristicile acestei forțe care ține atomii împreună? Acestea depind mai mult de tipul de legătură între A și B decât de structurile lor electronice. De exemplu, legătura A - B este direcțională. Ce înseamnă? Că forța exercitată de 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 unitățile de kJ / mol sau cal / mol. Odată ce a fost aplicată suficientă energie pentru compusul AB (de exemplu, prin căldură), acesta 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 în compusul AB ar fi ionică, A ⁺ B ^- , atunci ar fi o forță non-direcțională. De ce? Deoarece A ⁺ 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 repulsie reunește alți ioni pentru a forma ceea ce este cunoscut ca un cristal cu zăbrele (imaginea de sus: A ⁺ cation minciuni , înconjurat de patru B ^- anioni , iar acestea sunt înconjurate de patru A ⁺ cationi, și așa mai departe).

Cum se formează legăturile chimice?

Compuși homonucleari AA

Sursa: Gabriel Bolívar

Pentru ca o pereche de electroni să formeze o legătură, există multe lucruri care trebuie luate în considerare în primul rând. Nucleele, spun cele ale lui A, au protoni și sunt, prin urmare, pozitive. Când doi atomi A sunt foarte depărtați, adică la o distanță internucleară mare (imaginea superioară), ei nu prezintă nicio atracție.

Pe măsură ce cei doi atomi A se apropie de nucleele lor, atrag norul de electroni al atomului vecin (cercul violet). Aceasta este forța atracției (A pe cercul purpuriu vecin). Cu toate acestea, cele două nuclee ale lui A se repelă 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 atrăgătoare cât și cele respingătoare (cei doi atomi de A din partea inferioară a imaginii) sunt echilibrate.

Dacă această distanță scade după acest punct, legătura va determina cei doi nuclei să se repele reciproc foarte puternic, destabilizând compusul AA.

Deci, pentru a se forma legătura 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.

Compuși heteronucleari AB

Ce se întâmplă dacă în loc de doi atomi de A, unul de A și celălalt de B s-au unit? 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 corespunzătoare, perechea de electroni se va găsi în principal în apropierea celui mai electron atom de atom. Acesta este cazul tuturor compușilor chimici heteronucleari, care constituie marea majoritate a celor cunoscuți (și vor fi cunoscuți).

Deși nu sunt menționate în profunzime, există numeroase variabile care influențează în mod direct modul în care se apropie atomii și legăturile chimice; unele sunt termodinamice (reacția este spontană?), electronice (cât de pline sau goale sunt orbitele atomilor) și altele cinetice.

Tipuri de legături chimice

Legăturile 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 din fiecare. 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.).

-Legătură covalentă

Legăturile covalente sunt cele explicate până acum. În ele, două orbitale (un electron în fiecare) trebuie să se suprapună cu nucleele separate printr-o distanță internucleară corespunzătoare.

Conform teoriei orbitalului molecular (TOM), dacă suprapunerea orbitelor este frontală, se va forma o legătură sigma σ (care se numește și o legătură simplă sau simplă). Întrucât dacă orbitalele sunt formate din suprapuneri laterale și perpendiculare în raport cu axa internucleară, vom avea legăturile π (duble și triplate):

Sursa: Gabriel Bolívar

Legătură simplă

Legătura σ, după cum se poate vedea în imagine, este formată de-a lungul axei internucleare. Deși nu este arătat, 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 de rotație (cilindrul verde) și prin faptul că este cel mai puternic dintre toate.

De exemplu, legătura unică din molecula de hidrogen se poate roti în jurul axei internucleare (H - H). În mod similar, o moleculă ipotetică CA - AB poate.

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 împiedicată steric (deoarece C și B se vor ciocni).

Legături unice se găsesc practic în toate moleculele. Atomii săi pot avea orice hibridare chimică atâta timp cât suprapunerea orbitalelor lor este frontală. Revenind la structura vitaminei B ₁₂ , orice linie (-) indică o legătură unică (de exemplu, legăturile –CONH ₂ ).

Dublu link

Lipirea dublă necesită ca atomii să fie hibridizați (de obicei) sp ² . Legătura pură p, perpendiculară pe cele trei sp ² orbite hibride , formează legătura dublă, care este arătată ca o foaie gri.

Rețineți că atât legătura unică (cilindru verde), cât și dubla legătură (foaie 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, legătura (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 scurtă, iar atomii A și B se află la o distanță internucleară mai scurtă; prin urmare, există o repulsie mai mare între ambii nuclei. Spargerea legăturilor unice și duble necesită mai multă energie decât este nevoie pentru a separa atomii din molecula A - B.

În structura vitaminei B ₁₂ pot fi observate mai multe legături duble: C = O, P = O și în inelele aromatice.

Triplă legătură

Legătura triplă este chiar mai scurtă decât legătura dublă, iar rotația sa este mai împiedicată din punct de vedere energetic. În ea, două legături π sunt formate perpendicular între ele (foile cenușii și violet), precum și o legătură unică.

În mod obișnuit, hibridizarea chimică a atomilor de la A și B trebuie să fie sp: două orbitale sp la 180 ° între ele și două orbite p pure perpendiculare 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 N ₂ ).

Dintre toate legăturile covalente, aceasta este cea mai reactivă; dar în același timp, cea care are nevoie de mai multă energie pentru separarea completă a atomilor săi (· A: +: B ·). Dacă vitamina B ₁₂ ar avea o tripla legătură în structura sa moleculară, efectul farmacologic al acesteia s-ar schimba dramatic.

Șase electroni participă la legături triple; în duble, patru electroni; iar în simplu sau simplu, două.

Formarea uneia sau a mai multor dintre aceste legături covalente depinde de disponibilitatea electronică a atomilor; adică de câți electroni au orbitalii lor pentru a dobândi un octet de valență.

Legătura nepolară

O legătură covalentă constă într-o împărtășire egală a unei perechi de electroni între doi atomi. Dar acest lucru este valabil doar în cazul în care ambii atomi au electronegativități egale; adică aceeași tendință de a atrage densitatea electronilor din împrejurimile sale într-un compus.

Legăturile nepolare sunt caracterizate printr-o diferență de electronegativitate nulă (ΔE≈0). Acest lucru se întâmplă în două situații: într-un compus homonuclear (A ₂ ) sau dacă mediile chimice de pe ambele părți ale legăturii sunt echivalente (H ₃ C - CH ₃ , moleculă de etan).

Exemple de legături nonpolare sunt observate în următorii compuși:

-Hidrogen (H - H)

-Oxigen (O = O)

-Nitrogen (N≡N)

-Fluor (F - F)

-Clor (Cl - Cl)

-Acetilena (HC≡CH)

Legături polare

Când există o diferență marcată de electronegativitate ΔE între ambii atomi, se formează un moment dipol de-a lungul axei de legătură: A ^{δ +} –B ^δ- . 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, are o deficiență de sarcină δ +.

Pentru ca legăturile polare să apară, trebuie să se alăture doi atomi cu electronegativități diferite; și astfel, formează compuși heteronucleari. A - B seamănă cu un magnet: are un pol pozitiv și unul negativ. Aceasta 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 dipolului. Dacă geometria sa ar fi liniară, oceanele s-ar evapora, iar apa ar avea un punct de fierbere mai mic.

Faptul că un compus are legături polare nu implică faptul că este polar . De exemplu, tetraclorura de carbon, CCl ₄ , are patru legături C - Cl polare, dar datorită dispunerii lor tetraedrice, momentul dipolului se termină vectorial.

Legături de dativ sau de coordonare

Când un atom cedează 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 ⁺ ), o vacanță electronică, se formează legătura B: A.

În structura vitaminei B _12, cei cinci atomi de azot sunt legați de centrul metalic al Co prin acest tip de legătură covalentă. Acești nitrogeni renunță la perechea de electroni liberi la cationul Co ³⁺ , coordonarea metalului cu aceștia (Co ³⁺ : N–)

Un alt exemplu poate fi găsit în protonarea unei molecule de amoniac pentru a forma amoniac:

H ₃ N: + H ⁺ => NH ₄ ⁺

Rețineți că, în ambele cazuri, atomul de azot este cel care contribuie cu electronii; prin urmare, legătura covalentă de dativ sau de coordonare apare atunci când un atom contribuie singur la perechea de electroni.

În același mod, molecula de apă poate fi protonată pentru a deveni cationul hidroniu (sau oxoniu):

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

Spre deosebire de cation de amoniu, hidroniu are încă o pereche liberă de electroni (H ₃ O: ⁺ ); cu toate acestea, este foarte dificil pentru acesta să accepte un alt proton pentru a forma dicția de hidroniu instabilă, H ₄ O ²⁺ .

-Legătură ionică

Sursa: Pixabay

În imagine este un deal alb de sare. Sărurile se caracterizează prin faptul că au 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. In a doua imagine un A ⁺ cation înconjurată de patru B ^- anioni a fost demonstrat , dar aceasta este o reprezentare 2D. În trei dimensiuni, A ⁺ ar trebui să aibă alți anioni B ^{- în} fața 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 sub numele de coordonare (NC). Pentru fiecare NC, este asociat un tip de aranjament cristalin, care la rândul său constituie o fază solidă a sării.

Cristalele simetrice și fațetare văzute în săruri se datorează echilibrului stabilit prin interacțiunile electrostatice de atracție (A ⁺ B ^- ) și repulsie (A ⁺ A ⁺ , B ^- B ^- ).

Instruire

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 metal, care este, de asemenea, caracterizat prin renunțarea foarte ușoară la electronii săi. Când aceste elemente se întâlnesc, reacționează exotermic pentru a produce sare de masă:

2na (s) + Cl ₂ (g) => 2NaCI (s)

Doi atomi de sodiu renunțe la electron unică valență (Na ·) la molecula de diatomic Cl ₂ , formând astfel CI ^- anioni .

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).

Legătură metalică

Sursa: Pixnio

Ultimul dintre tipurile de legături chimice este metalic. Aceasta poate fi găsită pe orice piesă metalică sau din aliaj. Se caracterizează prin a fi deosebit și diferit de ceilalți, datorită faptului că electronii nu trec de la un atom la altul, ci mai degrabă se deplasează, ca o mare, prin cristalul metalelor.

Astfel, atomii metalici, ca să zicem cuprul, se amestecă orbitali de valență unul cu celălalt pentru a forma benzi de conducere; prin care electronii (s, p, dof) trec în jurul atomilor și îi ține strâns.

În funcție de numărul de electroni care trec prin cristalul metalic, orbitalele prevăzute pentru benzile și ambalarea atomilor săi, metalul poate fi moale (precum metalele alcaline), dur, lucios sau un bun conductor de electricitate și Fierbinte.

Forța care ține împreună atomii metalelor, cum ar fi cei care alcătuiesc omul mic 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 piesă metalică (compusă din cristale foarte mici) se deformează.

Exemple de legături

Următorii patru compuși cuprind tipurile de legături chimice explicate:

-Fluorură de sodiu, NaF (Na ⁺ F ^- ): ionic.

-Sodiu, Na: metalic.

-Fluor, F ₂ (F - F): covalent nonpolar, datorită faptului că între ambii atomi există un ΔE nul, deoarece sunt identici.

-Fluorură de hidrogen, HF (H - F): polar covalent, deoarece în acest compus fluorul este mai electronegativ decât hidrogenul.

Există compuși, cum ar fi vitamina B ₁₂ , care au legături covalente atât polare cât și ionice (în sarcina negativă a grupului său de fosfați - OP ₄ ^- -). În unele structuri complexe, precum cea a clusterelor metalice, toate aceste tipuri de legături pot coexista chiar.

Materia oferă în toate manifestările sale exemple de legături chimice. De la piatra din fundul unui iaz și apa care o înconjoară, până la broaștele care se strecoară la marginile ei.

Deși legăturile pot fi simple, numărul și dispunerea spațială a atomilor din structura moleculară fac loc unei bogate diversități de compuși.

Importanța legăturii chimice

Care este importanța legăturii chimice? Numărul incalculabil de consecințe pe care absența legăturii chimice le-ar dezlănțui evidențiază importanța sa enormă în natură:

-Fără ea, culorile nu ar exista, deoarece electronii săi nu ar absorbi radiațiile electromagnetice. Particule de praf și gheață prezente în atmosferă ar dispărea și, prin urmare, culoarea albastră a cerului se va întuneca.

-Carbonul nu și-a putut forma lanțurile sale nesfârșite, din care provin miliarde de compuși organici și biologici.

- Proteinele nu au putut fi definite nici în aminoacizii constituenți. Zaharurile și grăsimile ar dispărea, la fel ca orice compuși carbonari din organismele vii.

-Pământul nu ar avea atmosferă, deoarece în absența legăturilor chimice în gazele sale, nu ar exista forța de a le ține împreună. Nici nu ar exista cea mai mică interacțiune intermoleculară între ei.

-Montane ar putea dispărea, deoarece rocile și mineralele lor, deși grele, nu-și puteau conține atomii împachetate în structurile lor cristaline sau amorfe.

-Lumea ar fi formată din atomi solitari incapabili să formeze substanțe solide sau lichide. Aceasta ar duce, de asemenea, la dispariția oricărei transformări a materiei; adică nu ar exista reacție chimică. Doar gaze trecătoare peste tot.

Referințe

1. Harry B. Gray. (1965). Electroni și lipire chimică. WA BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p 233, 251, 278, 279.
3. Nave R. (2016). Lipire chimică. Recuperat din: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Tipuri de legături chimice. (3 octombrie 2006). Luat de la: dwb4.unl.edu
5. Formarea legăturilor chimice: rolul electronilor. . Recuperat din: cod.edu
6. Fundația CK-12. (Sf). Formarea obligațiunilor energetice și covalente. Recuperat din: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Coordonată sau legătură covalentă dativă. Recuperat de la: quimitube.com