Il concetto di legame chimico è di non poca importanza in vari campi della chimica come scienza. Ciò è dovuto al fatto che è con il suo aiuto che i singoli atomi sono in grado di combinarsi in molecole, formando tutti i tipi di sostanze, che, a loro volta, sono oggetto di ricerca chimica.
La varietà di atomi e molecole è associata all'emergere di vari tipi di legami tra di loro. Diverse classi di molecole sono caratterizzate dalle proprie caratteristiche di distribuzione degli elettroni, e quindi dai propri tipi di legami.
Concetti di base
Un legame chimico è un insieme di interazioni che portano al legame degli atomi per formare particelle stabili di una struttura più complessa (molecole, ioni, radicali), così come aggregati (cristalli, vetri, ecc.). La natura di queste interazioni è di natura elettrica e sorgono durante la distribuzione degli elettroni di valenza nell'avvicinarsi degli atomi.
Valenza è solitamente chiamata la capacità di un atomo di formare un certo numero di legami con altri atomi. Nei composti ionici, il numero di elettroni dati o attaccati viene preso come valore di valenza. Anei composti covalenti è uguale al numero di coppie di elettroni comuni.
Lo stato di ossidazione è inteso come la carica condizionale che potrebbe trovarsi su un atomo se tutti i legami covalenti polari fossero ionici.
La molteplicità del legame è il numero di coppie di elettroni condivisi tra gli atomi considerati.
I legami considerati nelle varie branche della chimica possono essere suddivisi in due tipi di legami chimici: quelli che portano alla formazione di nuove sostanze (intramolecolari) e quelli che sorgono tra le molecole (intermolecolari).
Caratteristiche di comunicazione di base
L'energia di legame è l'energia necessaria per rompere tutti i legami esistenti in una molecola. È anche l'energia rilasciata durante la formazione del legame.
La lunghezza del legame è la distanza tra nuclei di atomi adiacenti in una molecola, alla quale le forze di attrazione e repulsione sono bilanciate.
Queste due caratteristiche del legame chimico degli atomi sono una misura della sua forza: più breve è la lunghezza e maggiore è l'energia, più forte è il legame.
L'angolo di legame è solitamente chiamato l'angolo tra le linee rappresentate che passano nella direzione del legame attraverso i nuclei degli atomi.
Metodi per descrivere i link
I due approcci più comuni per spiegare il legame chimico, presi in prestito dalla meccanica quantistica:
Metodo degli orbitali molecolari. Considera una molecola come un insieme di elettroni e nuclei di atomi, con ogni singolo elettrone che si muove nel campo d'azione di tutti gli altri elettroni e nuclei. La molecola ha una struttura orbitale e tutti i suoi elettroni sono distribuiti lungo queste orbite. Inoltre, questo metodo è chiamato MO LCAO, che sta per "orbitale molecolare - una combinazione lineare di orbitali atomici".
Metodo dei legami di valenza. Rappresenta una molecola come un sistema di due orbitali molecolari centrali. Inoltre, ciascuno di essi corrisponde a un legame tra due atomi adiacenti nella molecola. Il metodo si basa sulle seguenti disposizioni:
- La formazione di un legame chimico è effettuata da una coppia di elettroni con spin opposti, che si trovano tra i due atomi considerati. La coppia di elettroni formata appartiene a due atomi allo stesso modo.
- Il numero di legami formati dall'uno o dall' altro atomo è uguale al numero di elettroni spaiati nello stato fondamentale ed eccitato.
- Se le coppie di elettroni non prendono parte alla formazione di un legame, vengono chiamate coppie solitarie.
Elettronegatività
È possibile determinare il tipo di legame chimico nelle sostanze in base alla differenza dei valori di elettronegatività dei suoi atomi costituenti. L'elettronegatività è intesa come la capacità degli atomi di attrarre coppie di elettroni comuni (nuvola di elettroni), che porta alla polarizzazione del legame.
Ci sono vari modi per determinare i valori di elettronegatività degli elementi chimici. Tuttavia, la più comunemente usata è la scala basata su dati termodinamici, proposta nel 1932 da L. Pauling.
Maggiore è la differenza nell'elettronegatività degli atomi, più pronunciata è la sua ionicità. Al contrario, valori di elettronegatività uguali o vicini indicano la natura covalente del legame. In altre parole, è possibile determinare matematicamente quale legame chimico si osserva in una particolare molecola. Per fare ciò, devi calcolare ΔX - la differenza nell'elettronegatività degli atomi secondo la formula: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Se ΔХ>1, 7, il legame è ionico.
- Se 0.5≦ΔХ≦1.7, il legame covalente è polare.
- Se ΔХ=0 o vicino ad esso, il legame è covalente non polare.
Legame ionico
Ionico è un tale legame che appare tra ioni oa causa del completo ritiro di una coppia di elettroni comune da parte di uno degli atomi. Nelle sostanze, questo tipo di legame chimico è effettuato da forze di attrazione elettrostatica.
Gli ioni sono particelle cariche formate da atomi come risultato dell'acquisizione o della perdita di elettroni. Quando un atomo accetta elettroni, acquisisce una carica negativa e diventa un anione. Se un atomo dona elettroni di valenza, diventa una particella carica positivamente chiamata catione.
È caratteristico dei composti formati dall'interazione di atomi di metalli tipici con atomi di non metalli tipici. Il principale di questo processo è l'aspirazione degli atomi ad acquisire configurazioni elettroniche stabili. E per questo, i metalli tipici e i non metalli devono dare o accettare solo 1-2 elettroni,cosa che fanno con facilità.
Il meccanismo di formazione di un legame chimico ionico in una molecola è tradizionalmente considerato usando l'esempio dell'interazione di sodio e cloro. Gli atomi di metalli alcalini donano facilmente un elettrone trainato da un atomo di alogeno. Il risultato è il catione Na+ e l'anione Cl-, che sono tenuti insieme dall'attrazione elettrostatica.
Non esiste un legame ionico ideale. Anche in tali composti, che sono spesso indicati come ionici, non si verifica il trasferimento finale di elettroni da un atomo all' altro. La coppia di elettroni formata rimane ancora di uso comune. Pertanto, parlano del grado di ionicità di un legame covalente.
Il legame ionico è caratterizzato da due proprietà principali correlate tra loro:
- non direzionale, ovvero il campo elettrico attorno allo ione ha la forma di una sfera;
- L'insaturazione, ovvero il numero di ioni di carica opposta che possono essere posizionati attorno a qualsiasi ione, è determinata dalla loro dimensione.
Legame chimico covalente
Il legame formato quando le nubi di elettroni di atomi non metallici si sovrappongono, cioè svolto da una coppia di elettroni comune, è chiamato legame covalente. Il numero di coppie di elettroni condivisi determina la molteplicità del legame. Pertanto, gli atomi di idrogeno sono legati da un singolo legame H··H e gli atomi di ossigeno formano un doppio legame O::O.
Ci sono due meccanismi per la sua formazione:
- Scambio - ogni atomo rappresenta un elettrone per la formazione di una coppia comune: A +B=A: B, mentre la connessione coinvolge orbitali atomici esterni, sui quali si trova un elettrone.
- Donatore-accettore - per formare un legame, uno degli atomi (donatore) fornisce una coppia di elettroni e il secondo (accettore) - un orbitale libero per il suo posizionamento: A +:B=A:B.
Anche i modi in cui le nubi di elettroni si sovrappongono quando si forma un legame chimico covalente sono diversi.
- Diretto. La regione di sovrapposizione delle nubi giace su una linea immaginaria retta che collega i nuclei degli atomi considerati. In questo caso si formano legami σ. Il tipo di legame chimico che si verifica in questo caso dipende dal tipo di nubi di elettroni che si sovrappongono: legami s-s, s-p, p-p, sd o p-d σ. In una particella (molecola o ione), può verificarsi un solo legame σ tra due atomi vicini.
- Lato. Viene eseguito su entrambi i lati della linea che collega i nuclei degli atomi. È così che si forma un legame π, e sono possibili anche le sue varietà: p-p, p-d, d-d. Separato dal legame σ, il legame π non si forma mai, può essere in molecole contenenti legami multipli (doppi e tripli).
Proprietà del legame covalente
Determinano le caratteristiche chimiche e fisiche dei composti. Le principali proprietà di qualsiasi legame chimico nelle sostanze sono la sua direzionalità, polarità e polarizzabilità, nonché la saturazione.
La direzionalità del legame determina le caratteristiche del molecolarela struttura delle sostanze e la forma geometrica delle loro molecole. La sua essenza sta nel fatto che la migliore sovrapposizione di nubi di elettroni è possibile con un certo orientamento nello spazio. Le opzioni per la formazione dei legami σ- e π sono già state considerate sopra.
La saturazione è intesa come la capacità degli atomi di formare un certo numero di legami chimici in una molecola. Il numero di legami covalenti per ogni atomo è limitato dal numero di orbitali esterni.
La polarità del legame dipende dalla differenza dei valori di elettronegatività degli atomi. Determina l'uniformità della distribuzione degli elettroni tra i nuclei degli atomi. Un legame covalente su questa base può essere polare o non polare.
- Se la coppia di elettroni comune appartiene allo stesso modo a ciascuno degli atomi e si trova alla stessa distanza dai loro nuclei, il legame covalente non è polare.
- Se la coppia comune di elettroni viene spostata nel nucleo di uno degli atomi, si forma un legame chimico polare covalente.
La polarizzabilità è espressa dallo spostamento degli elettroni di legame sotto l'azione di un campo elettrico esterno, che può appartenere a un' altra particella, legami vicini nella stessa molecola, o provenire da sorgenti esterne di campi elettromagnetici. Quindi, un legame covalente sotto la loro influenza può cambiare la sua polarità.
Sotto l'ibridazione degli orbitali comprende il cambiamento nelle loro forme nell'attuazione di un legame chimico. Ciò è necessario per ottenere la sovrapposizione più efficace. Esistono i seguenti tipi di ibridazione:
- sp3. Un s- e tre p-orbitali formano quattroOrbitali "ibridi" della stessa forma. Esternamente, assomiglia a un tetraedro con un angolo tra gli assi di 109 °.
- sp2. Un orbitale s e due orbitali p formano un triangolo piatto con un angolo tra gli assi di 120°.
- sp. Un orbitale s e uno p formano due orbitali "ibridi" con un angolo tra i loro assi di 180°.
Legame metallico
Una caratteristica della struttura degli atomi di metallo è un raggio piuttosto ampio e la presenza di un piccolo numero di elettroni negli orbitali esterni. Di conseguenza, in tali elementi chimici, il legame tra il nucleo e gli elettroni di valenza è relativamente debole e si rompe facilmente.
Il legame metallico è una tale interazione tra atomi di metallo-ioni, che viene effettuata con l'aiuto di elettroni delocalizzati.
Nelle particelle metalliche, gli elettroni di valenza possono facilmente lasciare gli orbitali esterni e occupare posti liberi su di essi. Pertanto, in momenti diversi, la stessa particella può essere un atomo e uno ione. Gli elettroni strappati da loro si muovono liberamente per l'intero volume del reticolo cristallino e realizzano un legame chimico.
Questo tipo di legame ha somiglianze con ionico e covalente. Così come per gli ioni, gli ioni sono necessari per l'esistenza di un legame metallico. Ma se per l'implementazione dell'interazione elettrostatica nel primo caso sono necessari cationi e anioni, nel secondo il ruolo delle particelle cariche negativamente è svolto dagli elettroni. Se confrontiamo un legame metallico con un legame covalente, la formazione di entrambi richiede elettroni comuni. Tuttavia, nela differenza di un legame chimico polare, non sono localizzati tra due atomi, ma appartengono a tutte le particelle metalliche nel reticolo cristallino.
I legami metallici sono responsabili delle proprietà speciali di quasi tutti i metalli:
- plasticità, presente per la possibilità di spostamento di strati di atomi nel reticolo cristallino trattenuti dal gas di elettroni;
- lucentezza metallica, che si osserva a causa della riflessione dei raggi luminosi degli elettroni (allo stato di polvere non c'è il reticolo cristallino e, quindi, gli elettroni si muovono lungo di esso);
- conduttività elettrica, che è svolta da un flusso di particelle cariche, e in questo caso piccoli elettroni si muovono liberamente tra grandi ioni metallici;
- conducibilità termica, osservata grazie alla capacità degli elettroni di trasferire calore.
Legame idrogeno
Questo tipo di legame chimico è talvolta chiamato un intermedio tra l'interazione covalente e intermolecolare. Se un atomo di idrogeno ha un legame con uno degli elementi fortemente elettronegativi (come fosforo, ossigeno, cloro, azoto), allora è in grado di formare un legame aggiuntivo, chiamato idrogeno.
È molto più debole di tutti i tipi di legame sopra considerati (l'energia non è superiore a 40 kJ/mol), ma non può essere trascurato. Ecco perché il legame chimico dell'idrogeno nel diagramma appare come una linea tratteggiata.
Il verificarsi di un legame idrogeno è possibile a causa dell'interazione elettrostatica donatore-accettore allo stesso tempo. Grande differenza di valoril'elettronegatività porta alla comparsa di un'eccessiva densità elettronica sugli atomi O, N, F e altri, nonché alla sua mancanza sull'atomo di idrogeno. Nel caso in cui non vi sia alcun legame chimico esistente tra tali atomi, le forze attrattive vengono attivate se sono sufficientemente vicine. In questo caso, il protone è un accettore di coppie di elettroni e il secondo atomo è un donatore.
Il legame idrogeno può verificarsi sia tra molecole vicine, ad esempio acqua, acidi carbossilici, alcoli, ammoniaca, sia all'interno di una molecola, ad esempio acido salicilico.
La presenza di un legame idrogeno tra le molecole d'acqua spiega alcune delle sue proprietà fisiche uniche:
- I valori della sua capacità termica, costante dielettrica, punti di ebollizione e di fusione, secondo i calcoli, dovrebbero essere molto inferiori a quelli reali, il che si spiega con il legame delle molecole e la necessità di spendere energia per rompere i legami idrogeno intermolecolari.
- A differenza di altre sostanze, quando la temperatura scende, il volume dell'acqua aumenta. Ciò è dovuto al fatto che le molecole occupano una certa posizione nella struttura cristallina del ghiaccio e si allontanano l'una dall' altra per la lunghezza del legame idrogeno.
Questa connessione gioca un ruolo speciale per gli organismi viventi, poiché la sua presenza nelle molecole proteiche determina la loro struttura speciale, e quindi le loro proprietà. Inoltre, anche gli acidi nucleici, che costituiscono la doppia elica del DNA, sono collegati precisamente da legami a idrogeno.
Comunicazioni in cristalli
La stragrande maggioranza dei solidi ha un reticolo cristallino, uno specialela disposizione reciproca delle particelle che le formano. In questo caso, si osserva la periodicità tridimensionale e atomi, molecole o ioni si trovano nei nodi, che sono collegati da linee immaginarie. A seconda della natura di queste particelle e dei loro legami, tutte le strutture cristalline sono divise in atomiche, molecolari, ioniche e metalliche.
Ci sono cationi e anioni nei nodi del reticolo cristallino ionico. Inoltre, ciascuno di essi è circondato da un numero rigorosamente definito di ioni con solo la carica opposta. Un tipico esempio è il cloruro di sodio (NaCl). Tendono ad avere punti di fusione e durezza elevati poiché richiedono molta energia per rompersi.
Molecole di sostanze formate da un legame covalente si trovano ai nodi del reticolo cristallino molecolare (ad esempio, I2). Sono collegati tra loro da una debole interazione di van der Waals e quindi una tale struttura è facile da distruggere. Tali composti hanno punti di ebollizione e di fusione bassi.
Il reticolo cristallino atomico è formato da atomi di elementi chimici con alti valori di valenza. Sono collegati da forti legami covalenti, il che significa che le sostanze hanno punti di ebollizione elevati, punti di fusione e durezza elevata. Un esempio è un diamante.
Quindi, tutti i tipi di legami che si trovano nelle sostanze chimiche hanno le loro caratteristiche, che spiegano la complessità dell'interazione delle particelle nelle molecole e nelle sostanze. Le proprietà dei composti dipendono da loro. Determinano tutti i processi che si verificano nell'ambiente.
