Per què els àtoms es poden combinar entre si per formar molècules? Quina és la raó de la possible existència de substàncies, que inclouen àtoms d'elements químics completament diferents? Aquests són problemes globals que afecten els conceptes fonamentals de la ciència física i química moderna. Les pots respondre tenint una idea de l'estructura electrònica dels àtoms i coneixent les característiques de l'enllaç covalent, que és la base bàsica de la majoria de classes de compostos. L'objectiu del nostre article és familiaritzar-se amb els mecanismes de formació de diversos tipus d'enllaços químics i les característiques de les propietats dels compostos que els contenen a les seves molècules.
Estructura electrònica de l'àtom
Les partícules electroneutres de la matèria, que són els seus elements estructurals, tenen una estructura que reflecteix l'estructura del sistema solar. A mesura que els planetes giren al voltant de l'estrella central, el Sol, els electrons de l'àtom es mouen al voltant del nucli carregat positivament. Per caracteritzarEn un enllaç covalent, seran significatius els electrons situats a l'últim nivell d'energia i el més allunyat del nucli. Com que la seva connexió amb el centre del seu propi àtom és mínima, poden ser fàcilment atrets pels nuclis d' altres àtoms. Això és molt important per a l'aparició d'interaccions interatòmiques que condueixen a la formació de molècules. Per què la forma molecular és el principal tipus d'existència de matèria al nostre planeta? Anem a esbrinar.
Propietat bàsica dels àtoms
La capacitat de les partícules elèctricament neutres d'interaccionar, donant lloc a un guany d'energia, és la seva característica més important. De fet, en condicions normals, l'estat molecular de la matèria és més estable que l'estat atòmic. Les principals disposicions de la teoria atòmica i molecular moderna expliquen tant els principis de la formació de molècules com les característiques d'un enllaç covalent. Recordem que el nivell d'energia exterior d'un àtom pot contenir d'1 a 8 electrons, en aquest últim cas la capa estarà completa, la qual cosa vol dir que serà molt estable. Els àtoms de gasos nobles tenen una estructura de nivell tan externa: argó, criptó, xenó: elements inerts que completen cada període del sistema de D. I. Mendeleiev. L'excepció aquí és l'heli, que no té 8, sinó només 2 electrons a l'últim nivell. El motiu és senzill: en el primer període només hi ha dos elements els àtoms dels quals tenen una sola capa d'electrons. Tots els altres elements químics tenen d'1 a 7 electrons a l'última capa incompleta. En el procés d'interaccionar entre ells, els àtoms ho faranesforçar-se per omplir-se d'electrons fins a un octet i restaurar la configuració d'un àtom d'un element inert. Aquest estat es pot aconseguir de dues maneres: per la pèrdua de la pròpia o per l'acceptació de partícules estranyes carregades negativament. Aquestes formes d'interacció expliquen com determinar si es formarà un enllaç iònic o covalent entre els àtoms que reaccionen.
Mecanismes per a la formació d'una configuració electrònica estable
Imaginem que en la reacció del compost entren dues substàncies simples: el sodi metàl·lic i el clor gasós. Es forma una substància de la classe de sals: clorur de sodi. Té un enllaç químic de tipus iònic. Per què i com va sorgir? Tornem de nou a l'estructura dels àtoms de les substàncies inicials. El sodi només té un electró a l'última capa, dèbilment lligat al nucli a causa del gran radi de l'àtom. L'energia d'ionització de tots els metalls alcalins, que inclouen el sodi, és baixa. Per tant, l'electró del nivell exterior surt del nivell d'energia, és atret pel nucli de l'àtom de clor i roman al seu espai. Això crea un precedent per a la transició de l'àtom de Cl a la forma d'un ió carregat negativament. Ara ja no estem davant de partícules elèctricament neutres, sinó de cations de sodi i anions de clor carregats. D'acord amb les lleis de la física, entre elles sorgeixen forces d'atracció electrostàtica i el compost forma una xarxa cristal·lina iònica. El mecanisme de formació del tipus iònic d'un enllaç químic considerat per nos altres ens ajudarà a aclarir les especificitats i les característiques principals d'un enllaç covalent amb més claredat.
Parells d'electrons compartits
Si es produeix un enllaç iònic entre àtoms d'elements molt diferents en electronegativitat, és a dir, metalls i no metalls, apareix el tipus covalent quan interactuen àtoms del mateix o diferents elements no metàl·lics. En el primer cas, s'acostuma a parlar de no polars, i en l' altre, de la forma polar d'un enllaç covalent. El mecanisme de la seva formació és comú: cadascun dels àtoms dóna parcialment electrons d'ús comú, que es combinen en parells. Però la disposició espacial dels parells d'electrons en relació amb els nuclis dels àtoms serà diferent. Sobre aquesta base, es distingeixen els tipus d'enllaços covalents: no polars i polars. Molt sovint, en els compostos químics formats per àtoms d'elements no metàl·lics, hi ha parells formats per electrons amb espins oposats, és a dir, que giren al voltant dels seus nuclis en direccions oposades. Atès que el moviment de partícules carregades negativament a l'espai condueix a la formació de núvols d'electrons, que finalment acaba en la seva superposició mútua. Quines són les conseqüències d'aquest procés per als àtoms i què comporta?
Propietats físiques d'un enllaç covalent
Resulta que entre els centres de dos àtoms que interactuen hi ha un núvol de dos electrons amb una alta densitat. Les forces electrostàtiques d'atracció entre el propi núvol carregat negativament i els nuclis dels àtoms augmenten. S'allibera una part d'energia i les distàncies entre centres atòmics disminueixen. Per exemple, al començament de la formació d'una molècula H2 la distància entre els nuclis dels àtoms d'hidrogenés 1,06 A, després de la superposició dels núvols i la formació d'un parell d'electrons comú - 0,74 A. Es poden trobar exemples d'enllaç covalent format segons el mecanisme anterior tant entre substàncies inorgàniques simples com complexes. La seva principal característica distintiva és la presència de parells d'electrons comuns. Com a resultat, després de l'aparició d'un enllaç covalent entre àtoms, per exemple, l'hidrogen, cadascun d'ells adquireix la configuració electrònica d'heli inert, i la molècula resultant té una estructura estable.
Forma espacial d'una molècula
Una altra propietat física molt important d'un enllaç covalent és la direccionalitat. Depèn de la configuració espacial de la molècula de la substància. Per exemple, quan dos electrons se superposen amb un núvol esfèric, l'aspecte de la molècula és lineal (clorur d'hidrogen o bromur d'hidrogen). La forma de les molècules d'aigua, en les quals s'hibriditzen els núvols s i p, és angular i les partícules molt fortes de nitrogen gasós semblen una piràmide.
Estructura de substàncies simples - no metalls
Després d'haver esbrinat quin tipus d'enllaç s'anomena covalent, quins signes té, ara és el moment de tractar amb les seves varietats. Si els àtoms del mateix no metàl·lic: clor, nitrogen, oxigen, brom, etc., interactuen entre ells, es formen les substàncies simples corresponents. Els seus parells d'electrons comuns es troben a la mateixa distància dels centres dels àtoms, sense desplaçaments. Per als compostos amb un tipus d'enllaç covalent no polar, les característiques següents són inherents: punts d'ebullició baixos ifusió, insolubilitat en aigua, propietats dielèctriques. A continuació, descobrirem quines substàncies es caracteritzen per un enllaç covalent, en el qual es produeix un desplaçament de parells d'electrons comuns.
Electronegativitat i el seu efecte sobre el tipus d'enllaç químic
La propietat d'un determinat element d'atreure electrons d'un àtom d'un altre element en química s'anomena electronegativitat. L'escala de valors d'aquest paràmetre, proposada per L. Pauling, es pot trobar a tots els llibres de text de química inorgànica i general. El seu valor més alt - 4,1 eV - té fluor, el més petit - altres no metalls actius, i l'indicador més baix és típic dels metalls alcalins. Si els elements que difereixen en la seva electronegativitat reaccionen entre si, llavors inevitablement un, més actiu, atraurà al seu nucli les partícules carregades negativament d'un àtom d'un element més passiu. Així, les propietats físiques d'un enllaç covalent depenen directament de la capacitat dels elements per donar electrons per a l'ús comú. Els parells comuns resultants ja no es situen simètricament respecte als nuclis, sinó que es desplacen cap a l'element més actiu.
Característiques dels compostos amb un enllaç polar
Les substàncies en molècules de les quals els parells d'electrons conjunts són asimètrics respecte als nuclis dels àtoms inclouen halogenurs d'hidrogen, àcids, compostos de calcògens amb hidrogen i òxids àcids. Aquests són àcids de sulfat i nitrat, òxids de sofre i fòsfor, sulfur d'hidrogen, etc. Per exemple, una molècula de clorur d'hidrogen conté un parell d'electrons comú,format per electrons no aparellats d'hidrogen i clor. Es desplaça més a prop del centre de l'àtom de Cl, que és un element més electronegatiu. Totes les substàncies amb un enllaç polar en solucions aquoses es dissocien en ions i condueixen un corrent elèctric. Els compostos que tenen un enllaç covalent polar, dels quals hem donat exemples, també tenen punts de fusió i ebullició més elevats en comparació amb les substàncies no metàl·liques simples.
Mètodes per trencar enllaços químics
En química orgànica, les reaccions de substitució d'hidrocarburs saturats amb halògens segueixen un mecanisme radical. Una barreja de metà i clor a la llum ia temperatura normal reacciona de tal manera que les molècules de clor comencen a dividir-se en partícules que porten electrons no aparellats. En altres paraules, s'observa la destrucció del parell d'electrons comú i la formació de radicals molt actius -Cl. Són capaços d'influir en les molècules de metà de tal manera que trenquen l'enllaç covalent entre els àtoms de carboni i d'hidrogen. Es forma una partícula activa -H, i la valència lliure de l'àtom de carboni adquireix un radical de clor, i el clorometà es converteix en el primer producte de la reacció. Aquest mecanisme per a la divisió de molècules s'anomena homolític. Si el parell comú d'electrons passa completament a la possessió d'un dels àtoms, llavors parlen d'un mecanisme heterolític característic de les reaccions que tenen lloc en solucions aquoses. En aquest cas, les molècules d'aigua polar augmentaran la velocitat de destrucció dels enllaços químics del compost dissolt.
Doble i tripleenllaços
La gran majoria de substàncies orgàniques i alguns compostos inorgànics contenen a les seves molècules no un, sinó diversos parells d'electrons comuns. La multiplicitat de l'enllaç covalent redueix la distància entre els àtoms i augmenta l'estabilitat dels compostos. Generalment se'ls coneix com a resistents químicament. Per exemple, en una molècula de nitrogen hi ha tres parells d'electrons, s'indiquen a la fórmula estructural amb tres guions i determinen la seva força. La substància simple nitrogen és químicament inert i pot reaccionar amb altres compostos, com ara hidrogen, oxigen o metalls, només quan s'escalfa o a pressió elevada, així com en presència de catalitzadors.
Els enllaços dobles i triples són inherents a classes de compostos orgànics com els hidrocarburs diènics insaturats, així com a les substàncies de la sèrie de l'etilè o l'acetilè. Els enllaços múltiples determinen les principals propietats químiques: reaccions d'addició i polimerització que es produeixen en els punts de la seva ruptura.
Al nostre article, vam donar una descripció general de l'enllaç covalent i vam examinar els seus principals tipus.
