El concepte d'enllaç químic no té poca importància en diversos camps de la química com a ciència. Això es deu al fet que és amb la seva ajuda que els àtoms individuals són capaços de combinar-se en molècules, formant tot tipus de substàncies, que, al seu torn, són objecte d'investigació química.
La varietat d'àtoms i molècules s'associa amb l'aparició de diversos tipus d'enllaços entre ells. Les diferents classes de molècules es caracteritzen per les seves pròpies característiques de la distribució dels electrons i, per tant, pels seus propis tipus d'enllaços.
Conceptes bàsics
Un enllaç químic és un conjunt d'interaccions que condueixen a la unió d'àtoms per formar partícules estables d'una estructura més complexa (molècules, ions, radicals), així com agregats (cristalls, vidres, etc.). La naturalesa d'aquestes interaccions és de naturalesa elèctrica i sorgeixen durant la distribució dels electrons de valència als àtoms que s'aproximen.
La valència s'anomena normalment la capacitat d'un àtom de formar un cert nombre d'enllaços amb altres àtoms. En els compostos iònics, el nombre d'electrons donats o units es pren com a valor de valència. ATen compostos covalents, és igual al nombre de parells d'electrons comuns.
L'estat d'oxidació s'entén com la càrrega condicional que podria tenir un àtom si tots els enllaços covalents polars fossin iònics.
La multiplicitat d'enllaç és el nombre de parells d'electrons compartits entre els àtoms considerats.
Els enllaços considerats en diverses branques de la química es poden dividir en dos tipus d'enllaços químics: els que donen lloc a la formació de noves substàncies (intramoleculars) i els que sorgeixen entre molècules (intermoleculars).
Característiques bàsiques de la comunicació
L'energia d'unió és l'energia necessària per trencar tots els enllaços existents en una molècula. També és l'energia alliberada durant la formació d'enllaços.
La longitud de l'enllaç és la distància entre els nuclis adjacents d'àtoms d'una molècula, a la qual s'equilibren les forces d'atracció i repulsió.
Aquestes dues característiques de l'enllaç químic dels àtoms són una mesura de la seva força: com més curta sigui la longitud i més gran sigui l'energia, més fort serà l'enllaç.
L'angle d'enllaç normalment s'anomena angle entre les línies representades que passen en la direcció de l'enllaç pels nuclis dels àtoms.
Mètodes per descriure enllaços
Els dos enfocaments més comuns per explicar l'enllaç químic, manllevats de la mecànica quàntica:
Mètode dels orbitals moleculars. Considera una molècula com un conjunt d'electrons i nuclis d'àtoms, amb cada electró individual que es mou en el camp d'acció de tots els altres electrons i nuclis. La molècula té una estructura orbital, i tots els seus electrons es distribueixen al llarg d'aquestes òrbites. A més, aquest mètode s'anomena MO LCAO, que significa "orbital molecular - una combinació lineal d'orbitals atòmics".
Mètode dels enllaços de valència. Representa una molècula com un sistema de dos orbitals moleculars centrals. A més, cadascun d'ells correspon a un enllaç entre dos àtoms adjacents de la molècula. El mètode es basa en les disposicions següents:
- La formació d'un enllaç químic la duu a terme un parell d'electrons amb espins oposats, que es troben entre els dos àtoms considerats. El parell d'electrons format pertany a dos àtoms per igual.
- El nombre d'enllaços formats per un o un altre àtom és igual al nombre d'electrons no aparellats a l'estat fonamental i excitat.
- Si els parells d'electrons no participen en la formació d'un enllaç, s'anomenen parells solitaris.
Electronegativitat
És possible determinar el tipus d'enllaç químic de les substàncies a partir de la diferència en els valors d'electronegativitat dels seus àtoms constituents. L'electronegativitat s'entén com la capacitat dels àtoms d'atreure parells d'electrons comuns (núvol d'electrons), cosa que condueix a la polarització dels enllaços.
Hi ha diverses maneres de determinar els valors de l'electronegativitat dels elements químics. Tanmateix, la més utilitzada és l'escala basada en dades termodinàmiques, que va ser proposada l'any 1932 per L. Pauling.
Com més gran sigui la diferència en l'electronegativitat dels àtoms, més pronunciada serà la seva ionicitat. Per contra, valors d'electronegativitat iguals o propers indiquen la naturalesa covalent de l'enllaç. En altres paraules, és possible determinar matemàticament quin enllaç químic s'observa en una molècula concreta. Per fer-ho, cal calcular ΔX - la diferència en l'electronegativitat dels àtoms segons la fórmula: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Si ΔХ>1, 7, l'enllaç és iònic.
- Si és 0,5≦ΔХ≦1,7, aleshores l'enllaç covalent és polar.
- Si ΔХ=0 o a prop, l'enllaç és no polar covalent.
Enllaç iònic
Iònic és un enllaç que apareix entre ions o a causa de la retirada completa d'un parell d'electrons comú per part d'un dels àtoms. En les substàncies, aquest tipus d'enllaç químic es duu a terme per forces d'atracció electrostàtica.
Els ions són partícules carregades formades a partir d'àtoms com a resultat de l'augment o la pèrdua d'electrons. Quan un àtom accepta electrons, adquireix una càrrega negativa i es converteix en anió. Si un àtom dona electrons de valència, es converteix en una partícula carregada positivament anomenada catió.
És característic dels compostos formats per la interacció d'àtoms de metalls típics amb àtoms de no metalls típics. El principal d'aquest procés és l'aspiració dels àtoms per adquirir configuracions electròniques estables. I per això, els metalls i no metalls típics necessiten donar o acceptar només 1-2 electrons,que fan amb facilitat.
El mecanisme de formació d'un enllaç químic iònic en una molècula es considera tradicionalment utilitzant l'exemple de la interacció del sodi i el clor. Els àtoms de metalls alcalins donen fàcilment un electró arrossegat per un àtom d'halogen. El resultat és el catió Na+ i l'anió Cl-, que es mantenen units per atracció electrostàtica.
No hi ha un enllaç iònic ideal. Fins i tot en aquests compostos, que sovint s'anomenen iònics, no es produeix la transferència final d'electrons d'àtom a àtom. El parell d'electrons format encara segueix sent d'ús comú. Per tant, parlen del grau d'ionicitat d'un enllaç covalent.
L'enllaç iònic es caracteritza per dues propietats principals relacionades entre si:
- no direccional, és a dir, el camp elèctric al voltant de l'ió té la forma d'una esfera;
- La insaturació, és a dir, el nombre d'ions de càrrega oposada que es poden col·locar al voltant de qualsevol ió, ve determinada per la seva mida.
Enllaç químic covalent
L'enllaç format quan els núvols d'electrons d'àtoms no metàl·lics se superposen, és a dir, realitzat per un parell d'electrons comú, s'anomena enllaç covalent. El nombre de parells d'electrons compartits determina la multiplicitat de l'enllaç. Així, els àtoms d'hidrogen estan units per un únic enllaç H··H, i els àtoms d'oxigen formen un doble enllaç O::O.
Hi ha dos mecanismes per a la seva formació:
- Intercanvi - cada àtom representa un electró per a la formació d'un parell comú: A +B=A: B, mentre que la connexió implica orbitals atòmics externs, en els quals es troba un electró.
- Donant-acceptador - per formar un enllaç, un dels àtoms (donador) proporciona un parell d'electrons, i el segon (acceptador) - un orbital lliure per a la seva col·locació: A +:B=A:B.
Les maneres en què els núvols d'electrons se superposen quan es forma un enllaç químic covalent també són diferents.
- Directe. La regió de superposició del núvol es troba en una línia imaginària recta que connecta els nuclis dels àtoms considerats. En aquest cas, es formen enllaços σ. El tipus d'enllaç químic que es produeix en aquest cas depèn del tipus de núvols electrònics que pateixen solapament: enllaços s-s, s-p, p-p, s-d o p-d. En una partícula (molècula o ió), només es pot produir un enllaç σ entre dos àtoms veïns.
- Lateral. Es realitza a banda i banda de la línia que connecta els nuclis dels àtoms. Així és com es forma un enllaç π, i també són possibles les seves varietats: p-p, p-d, d-d. A part de l'enllaç σ, l'enllaç π no es forma mai; pot estar en molècules que contenen enllaços múltiples (dobles i triples).
Propietats d'enllaç covalent
Determinen les característiques químiques i físiques dels compostos. Les propietats principals de qualsevol enllaç químic de les substàncies són la seva direccionalitat, polaritat i polarització, així com la saturació.
La direccionalitat de l'enllaç determina les característiques de la molecularl'estructura de les substàncies i la forma geomètrica de les seves molècules. La seva essència rau en el fet que la millor superposició dels núvols d'electrons és possible amb una certa orientació a l'espai. Les opcions per a la formació d'enllaços σ i π ja s'han considerat anteriorment.
La saturació s'entén com la capacitat dels àtoms de formar un cert nombre d'enllaços químics en una molècula. El nombre d'enllaços covalents de cada àtom està limitat pel nombre d'orbitals exteriors.
La polaritat de l'enllaç depèn de la diferència en els valors d'electronegativitat dels àtoms. Determina la uniformitat de la distribució dels electrons entre els nuclis dels àtoms. Un enllaç covalent sobre aquesta base pot ser polar o no polar.
- Si el parell d'electrons comú pertany igualment a cadascun dels àtoms i es troba a la mateixa distància dels seus nuclis, aleshores l'enllaç covalent és no polar.
- Si el parell comú d'electrons es desplaça cap al nucli d'un dels àtoms, es forma un enllaç químic polar covalent.
La polarització s'expressa pel desplaçament dels electrons d'enllaç sota l'acció d'un camp elèctric extern, que pot pertànyer a una altra partícula, enllaços veïns de la mateixa molècula, o provenir de fonts externes de camps electromagnètics. Per tant, un enllaç covalent sota la seva influència pot canviar la seva polaritat.
Sota la hibridació d'orbitals entendre el canvi de les seves formes en la implementació d'un enllaç químic. Això és necessari per aconseguir la superposició més eficaç. Hi ha els següents tipus d'hibridació:
- sp3. Un orbital s i tres orbitals p formen quatreorbitals "híbrids" de la mateixa forma. Exteriorment, s'assembla a un tetraedre amb un angle entre els eixos de 109 °.
- sp2. Un s- i dos p-orbitals formen un triangle pla amb un angle entre els eixos de 120°.
- esp. Un orbital s i un orbital p formen dos orbitals "híbrids" amb un angle entre els seus eixos de 180°.
Enllaç metàl·lic
Una característica de l'estructura dels àtoms metàl·lics és un radi bastant gran i la presència d'un petit nombre d'electrons als orbitals exteriors. Com a resultat, en aquests elements químics, l'enllaç entre el nucli i els electrons de valència és relativament feble i es trenca fàcilment.
L'enllaç metàl·lic és una interacció entre àtoms-ions metàl·lics, que es realitza amb l'ajuda d'electrons deslocalitzats.
A les partícules metàl·liques, els electrons de valència poden deixar fàcilment els orbitals exteriors, així com ocupar-hi llocs buits. Així, en diferents moments, una mateixa partícula pot ser un àtom i un ió. Els electrons extrets d'ells es mouen lliurement per tot el volum de la xarxa cristal·lina i duen a terme un enllaç químic.
Aquest tipus d'enllaç té semblances amb iònic i covalent. Així com per als iònics, els ions són necessaris per a l'existència d'un enllaç metàl·lic. Però si per a la implementació de la interacció electrostàtica en el primer cas, es necessiten cations i anions, en el segon, els electrons tenen el paper de les partícules carregades negativament. Si comparem un enllaç metàl·lic amb un enllaç covalent, la formació d'ambdós requereix electrons comuns. Tanmateix, ena diferència d'un enllaç químic polar, no estan localitzats entre dos àtoms, sinó que pertanyen a totes les partícules metàl·liques de la xarxa cristal·lina.
Els enllaços metàl·lics són responsables de les propietats especials de gairebé tots els metalls:
- plasticitat, present a causa de la possibilitat de desplaçament de capes d'àtoms a la xarxa cristal·lina subjecta pel gas d'electrons;
- brillant metàl·lica, que s'observa a causa de la reflexió dels raigs de llum dels electrons (en estat de pols no hi ha xarxa cristal·lina i, per tant, electrons que es mouen al seu llarg);
- conductivitat elèctrica, que es realitza mitjançant un corrent de partícules carregades i, en aquest cas, els electrons petits es mouen lliurement entre els grans ions metàl·lics;
- conductivitat tèrmica, observada a causa de la capacitat dels electrons per transferir calor.
Enllaç d'hidrogen
Aquest tipus d'enllaç químic de vegades s'anomena intermedi entre la interacció covalent i intermolecular. Si un àtom d'hidrogen té un enllaç amb un dels elements fortament electronegatius (com el fòsfor, l'oxigen, el clor, el nitrogen), llavors és capaç de formar un enllaç addicional, anomenat hidrogen.
És molt més feble que tots els tipus d'enllaços considerats anteriorment (l'energia no supera els 40 kJ/mol), però no es pot descuidar. És per això que l'enllaç químic d'hidrogen del diagrama sembla una línia de punts.
L'aparició d'un enllaç d'hidrogen és possible a causa de la interacció electrostàtica donant-acceptador al mateix temps. Gran diferència de valorsl'electronegativitat condueix a l'aparició d'excés de densitat d'electrons en els àtoms O, N, F i altres, així com a la seva manca en l'àtom d'hidrogen. En el cas que no hi hagi un enllaç químic existent entre aquests àtoms, s'activen forces atractives si són prou properes. En aquest cas, el protó és un acceptor de parells d'electrons i el segon àtom és un donant.
L'enllaç d'hidrogen es pot produir tant entre molècules veïnes, per exemple, aigua, àcids carboxílics, alcohols, amoníac, com dins d'una molècula, per exemple, àcid salicílic.
La presència d'un enllaç d'hidrogen entre les molècules d'aigua explica una sèrie de les seves propietats físiques úniques:
- Els valors de la seva capacitat calorífica, constant dielèctrica, punts d'ebullició i fusió, d'acord amb els càlculs, haurien de ser molt inferiors als reals, la qual cosa s'explica per l'enllaç de les molècules i la necessitat de gastar energia per trencar enllaços d'hidrogen intermoleculars.
- A diferència d' altres substàncies, quan la temperatura baixa, el volum d'aigua augmenta. Això es deu al fet que les molècules ocupen una determinada posició a l'estructura cristal·lina del gel i s'allunyen unes de les altres per la longitud de l'enllaç d'hidrogen.
Aquesta connexió té un paper especial per als organismes vius, ja que la seva presència a les molècules de proteïnes determina la seva estructura especial i, per tant, les seves propietats. A més, els àcids nucleics, que formen la doble hèlix d'ADN, també estan connectats precisament per enllaços d'hidrogen.
Comunicacions en cristalls
La gran majoria dels sòlids tenen una xarxa cristal·lina, un especialla disposició mútua de les partícules que les formen. En aquest cas, s'observa la periodicitat tridimensional, i als nodes se situen àtoms, molècules o ions, que estan connectats per línies imaginàries. Depenent de la naturalesa d'aquestes partícules i dels enllaços entre elles, totes les estructures cristal·lines es divideixen en atòmiques, moleculars, iòniques i metàl·liques.
Hi ha cations i anions als nodes de la xarxa cristal·lina iònica. A més, cadascun d'ells està envoltat per un nombre estrictament definit d'ions amb només la càrrega oposada. Un exemple típic és el clorur de sodi (NaCl). Acostumen a tenir punts de fusió i duresa elevats, ja que necessiten molta energia per trencar-se.
Les molècules de substàncies formades per un enllaç covalent es troben als nodes de la xarxa cristal·lina molecular (per exemple, I2). Estan connectats entre si per una interacció feble de van der Waals i, per tant, aquesta estructura és fàcil de destruir. Aquests compostos tenen punts d'ebullició i de fusió baixos.
La xarxa cristal·lina atòmica està formada per àtoms d'elements químics amb alts valors de valència. Estan connectats per forts enllaços covalents, el que significa que les substàncies tenen alts punts d'ebullició, punts de fusió i alta duresa. Un exemple és un diamant.
Així, tots els tipus d'enllaços que es troben en els productes químics tenen les seves pròpies característiques, que expliquen les complexitats de la interacció de les partícules en molècules i substàncies. D'ells depenen les propietats dels compostos. Determinen tots els processos que tenen lloc a l'entorn.
