Perché gli atomi possono combinarsi tra loro per formare molecole? Qual è la ragione della possibile esistenza di sostanze, che includono atomi di elementi chimici completamente diversi? Queste sono questioni globali che riguardano i concetti fondamentali della moderna scienza fisica e chimica. Puoi rispondere loro, avendo un'idea della struttura elettronica degli atomi e conoscendo le caratteristiche del legame covalente, che è la base di base per la maggior parte delle classi di composti. Lo scopo del nostro articolo è conoscere i meccanismi di formazione di vari tipi di legami chimici e le caratteristiche delle proprietà dei composti che li contengono nelle loro molecole.
Struttura elettronica dell'atomo
Le particelle di materia elettroneutre, che sono i suoi elementi strutturali, hanno una struttura che rispecchia la struttura del sistema solare. Come i pianeti ruotano attorno alla stella centrale - il Sole, così gli elettroni nell'atomo si muovono attorno al nucleo caricato positivamente. Per caratterizzareIn un legame covalente, saranno significativi gli elettroni situati all'ultimo livello di energia e il più distante dal nucleo. Poiché la loro connessione con il centro del proprio atomo è minima, sono in grado di essere facilmente attratti dai nuclei di altri atomi. Questo è molto importante per il verificarsi di interazioni interatomiche che portano alla formazione di molecole. Perché la forma molecolare è il principale tipo di esistenza della materia sul nostro pianeta? Scopriamolo.
Proprietà di base degli atomi
La capacità delle particelle elettricamente neutre di interagire, portando ad un guadagno di energia, è la loro caratteristica più importante. Infatti, in condizioni normali, lo stato molecolare della materia è più stabile dello stato atomico. Le principali disposizioni della moderna teoria atomica e molecolare spiegano sia i principi della formazione delle molecole che le caratteristiche di un legame covalente. Ricordiamo che il livello di energia esterna di un atomo può contenere da 1 a 8 elettroni, in quest'ultimo caso lo strato sarà completo, il che significa che sarà molto stabile. Gli atomi di gas nobili hanno una tale struttura di livello esterno: argon, krypton, xeno - elementi inerti che completano ogni periodo nel sistema di D. I. Mendeleev. L'eccezione qui è l'elio, che non ha 8, ma solo 2 elettroni nell'ultimo livello. Il motivo è semplice: nel primo periodo ci sono solo due elementi i cui atomi hanno un unico strato di elettroni. Tutti gli altri elementi chimici hanno da 1 a 7 elettroni sull'ultimo strato incompleto. Nel processo di interazione tra loro, gli atomi lo farannosforzarsi di riempirsi di elettroni fino a un ottetto e ripristinare la configurazione di un atomo di un elemento inerte. Tale stato può essere raggiunto in due modi: con la perdita del proprio o con l'accettazione di particelle estranee con carica negativa. Queste forme di interazione spiegano come determinare se si formerà un legame ionico o covalente tra gli atomi che reagiscono.
Meccanismi per la formazione di una configurazione elettronica stabile
Immaginiamo che due semplici sostanze entrino nella reazione del composto: sodio metallico e cloro gassoso. Si forma una sostanza della classe dei sali: il cloruro di sodio. Ha un legame chimico di tipo ionico. Perché e come è nato? Torniamo ancora alla struttura degli atomi delle sostanze iniziali. Il sodio ha un solo elettrone sull'ultimo strato, debolmente legato al nucleo a causa dell'ampio raggio dell'atomo. L'energia di ionizzazione di tutti i metalli alcalini, incluso il sodio, è bassa. Pertanto, l'elettrone del livello esterno lascia il livello di energia, viene attratto dal nucleo dell'atomo di cloro e rimane nel suo spazio. Questo crea un precedente per la transizione dell'atomo di Cl nella forma di uno ione caricato negativamente. Ora non abbiamo più a che fare con particelle elettricamente neutre, ma con cationi di sodio carichi e anioni di cloro. In accordo con le leggi della fisica, tra di loro sorgono forze di attrazione elettrostatica e il composto forma un reticolo cristallino ionico. Il meccanismo di formazione del tipo ionico di un legame chimico da noi considerato aiuterà a chiarire più chiaramente le specificità e le caratteristiche principali di un legame covalente.
Coppie di elettroni condivisi
Se si verifica un legame ionico tra atomi di elementi che sono molto diversi nell'elettronegatività, cioè metalli e non metalli, allora il tipo covalente appare quando interagiscono atomi dello stesso o di diversi elementi non metallici. Nel primo caso si parla di non polare e, nell' altro, della forma polare di un legame covalente. Il meccanismo della loro formazione è comune: ciascuno degli atomi fornisce parzialmente elettroni per uso comune, che sono combinati a coppie. Ma la disposizione spaziale delle coppie di elettroni rispetto ai nuclei degli atomi sarà diversa. Su questa base si distinguono i tipi di legami covalenti: non polari e polari. Molto spesso, nei composti chimici costituiti da atomi di elementi non metallici, ci sono coppie costituite da elettroni con spin opposti, cioè che ruotano attorno ai loro nuclei in direzioni opposte. Poiché il movimento di particelle caricate negativamente nello spazio porta alla formazione di nubi di elettroni, che alla fine finiscono nella loro reciproca sovrapposizione. Quali sono le conseguenze di questo processo per gli atomi ea cosa porta?
Proprietà fisiche di un legame covalente
Si scopre che tra i centri di due atomi interagenti c'è una nuvola di due elettroni ad alta densità. Le forze elettrostatiche di attrazione tra la stessa nuvola caricata negativamente ei nuclei degli atomi aumentano. Una parte di energia viene rilasciata e le distanze tra i centri atomici diminuiscono. Ad esempio, all'inizio della formazione di una molecola H2 la distanza tra i nuclei degli atomi di idrogenoè 1,06 A, dopo la sovrapposizione di nubi e la formazione di una coppia di elettroni comune - 0,74 A. Esempi di un legame covalente formato secondo il meccanismo di cui sopra si possono trovare sia tra sostanze inorganiche semplici che complesse. La sua principale caratteristica distintiva è la presenza di coppie di elettroni comuni. Di conseguenza, dopo l'emergere di un legame covalente tra atomi, ad esempio l'idrogeno, ciascuno di essi acquisisce la configurazione elettronica dell'elio inerte e la molecola risultante ha una struttura stabile.
Forma spaziale di una molecola
Un' altra proprietà fisica molto importante di un legame covalente è la direzionalità. Dipende dalla configurazione spaziale della molecola della sostanza. Ad esempio, quando due elettroni si sovrappongono a una nuvola sferica, l'aspetto della molecola è lineare (acido cloridrico o acido bromidrico). La forma delle molecole d'acqua, in cui le nubi s e p si ibridano, è angolare e particelle molto forti di azoto gassoso sembrano una piramide.
Struttura di sostanze semplici - non metalli
Dopo aver scoperto che tipo di legame è chiamato covalente, quali segni ha, ora è il momento di affrontare le sue varietà. Se gli atomi dello stesso non metallo - cloro, azoto, ossigeno, bromo, ecc., interagiscono tra loro, si formano le corrispondenti sostanze semplici. Le loro coppie di elettroni comuni si trovano alla stessa distanza dai centri degli atomi, senza spostarsi. Per i composti con un tipo di legame covalente non polare, sono inerenti le seguenti caratteristiche: basso punto di ebollizione efusione, insolubilità in acqua, proprietà dielettriche. Successivamente, scopriremo quali sostanze sono caratterizzate da un legame covalente, in cui si verifica uno spostamento di coppie di elettroni comuni.
Elettronegatività e il suo effetto sul tipo di legame chimico
La proprietà di un particolare elemento di attrarre elettroni da un atomo di un altro elemento in chimica è chiamata elettronegatività. La scala dei valori per questo parametro, proposta da L. Pauling, si trova in tutti i libri di testo di chimica inorganica e generale. Il suo valore più alto - 4,1 eV - contiene fluoro, quello più piccolo - altri non metalli attivi e l'indicatore più basso è tipico dei metalli alcalini. Se elementi che differiscono nella loro elettronegatività reagiscono tra loro, inevitabilmente uno, più attivo, attirerà nel suo nucleo particelle cariche negativamente di un atomo di un elemento più passivo. Pertanto, le proprietà fisiche di un legame covalente dipendono direttamente dalla capacità degli elementi di donare elettroni per uso comune. Le coppie comuni risultanti non si trovano più simmetricamente rispetto ai nuclei, ma sono spostate verso l'elemento più attivo.
Caratteristiche dei composti con legame polare
Le sostanze nelle molecole le cui coppie di elettroni articolari sono asimmetriche rispetto ai nuclei degli atomi includono alogenuri di idrogeno, acidi, composti di calcogeni con idrogeno e ossidi di acidi. Questi sono acidi solfato e nitrato, ossidi di zolfo e fosforo, acido solfidrico, ecc. Ad esempio, una molecola di acido cloridrico contiene una coppia di elettroni comune,formato da elettroni spaiati di idrogeno e cloro. Viene spostato più vicino al centro dell'atomo di Cl, che è un elemento più elettronegativo. Tutte le sostanze con un legame polare in soluzioni acquose si dissociano in ioni e conducono una corrente elettrica. I composti che hanno un legame covalente polare, di cui abbiamo fornito degli esempi, hanno anche punti di fusione e di ebollizione più elevati rispetto alle semplici sostanze non metalliche.
Metodi per rompere i legami chimici
In chimica organica, le reazioni di sostituzione degli idrocarburi saturi con gli alogeni seguono un meccanismo radicalico. Una miscela di metano e cloro alla luce ea temperatura normale reagisce in modo tale che le molecole di cloro iniziano a dividersi in particelle che trasportano elettroni spaiati. In altre parole, si osserva la distruzione della coppia elettronica comune e la formazione di radicali molto attivi -Cl. Sono in grado di influenzare le molecole di metano in modo tale da rompere il legame covalente tra atomi di carbonio e idrogeno. Si forma una particella attiva -H e la valenza libera dell'atomo di carbonio assume un radicale di cloro e il clorometano diventa il primo prodotto della reazione. Un tale meccanismo per la scissione delle molecole è chiamato omolitico. Se la coppia comune di elettroni passa completamente in possesso di uno degli atomi, allora si parla di un meccanismo eterolitico caratteristico delle reazioni che avvengono in soluzioni acquose. In questo caso, le molecole di acqua polare aumenteranno il tasso di distruzione dei legami chimici del composto disciolto.
Doppia e triplalink
La stragrande maggioranza delle sostanze organiche e alcuni composti inorganici contengono nelle loro molecole non una, ma diverse coppie di elettroni comuni. La molteplicità del legame covalente riduce la distanza tra gli atomi e aumenta la stabilità dei composti. Di solito sono indicati come chimicamente resistenti. Ad esempio, in una molecola di azoto ci sono tre coppie di elettroni, sono indicati nella formula strutturale da tre trattini e ne determinano la forza. La semplice sostanza azoto è chimicamente inerte e può reagire con altri composti, come idrogeno, ossigeno o metalli, solo se riscaldata oa pressione elevata, nonché in presenza di catalizzatori.
I doppi e i tripli legami sono inerenti a classi di composti organici come gli idrocarburi dienici insaturi e le sostanze della serie dell'etilene o dell'acetilene. I legami multipli determinano le principali proprietà chimiche: reazioni di addizione e polimerizzazione che avvengono nei punti della loro rottura.
Nel nostro articolo, abbiamo fornito una descrizione generale del legame covalente ed abbiamo esaminato i suoi tipi principali.
