O legătură chimică este legătura dintre doi sau mai mulți atomi (molecule) dintr-un compus organic sau anorganic. Se formează sub condiția unei scăderi a energiei totale din sistem.
Pot toate elementele să formeze legături chimice?
Toate elementele tabelului periodic au diferitecapacitatea de a forma comunicare. Cei mai stabili și, prin urmare, inactivi din punct de vedere chimic sunt atomii de gaze nobile (inerte), deoarece conțin doi sau opt electroni pe învelișul exterior al electronilor. Ele formează un număr mic de legături. De exemplu, neonul, heliul și argonul nu formează legături chimice cu niciun element, în timp ce xenonul, criptonul și radonul pot reacționa cu moleculele de fluor și apă.
Pentru atomii altor elemente, nivelurile exterioare nu sunt finalizate și au de la unu la șapte electroni, prin urmare, pentru a crește stabilitatea învelișurilor, formează legături chimice.
Tipuri de legături chimice
Există mai multe tipuri de comunicare:
- Covalent.
- Ionic.
- Metalic.
- Hidrogen.
Legătură covalentă
Acest tip de legătură se formează între atomi înmoleculă ca rezultat al socializării sau suprapunerii unei perechi de electroni de valență. În consecință, există mecanisme de schimb (a) și donor-acceptor (b) pentru formarea unei legături covalente. Un caz separat este legătura dativă, care va fi discutată mai jos.
Legătura covalentă: mecanism de schimb
Atomii de la nivelul exterior au neperecheelectroni. Când interacționează, învelișurile exterioare se suprapun. Spiri antiparaleli ai electronilor individuali conținuti în nivelurile exterioare se perechează pentru a forma o pereche de electroni comună ambilor atomi. Această pereche de electroni este, de fapt, o legătură covalentă, care este formată printr-un mecanism de schimb, de exemplu, într-o moleculă de hidrogen.
Legătura covalentă: mecanism donor-acceptor
Acest mecanism constă în socializaredoi atomi a doi electroni la nivelul exterior. În acest caz, unul dintre atomi acționează ca un donor (oferă doi electroni), iar celălalt - un acceptor (are un orbital liber pentru electroni). Atomii elementelor s și p pot fi fie acceptori, fie donatori de electroni. Atomii din elementele D sunt capabili să fie atât donatori, cât și acceptori.
Pentru a înțelege care este mecanismul donor-acceptor, să luăm în considerare două exemple simple - formarea cationilor de hidroniu H3oh+ și amoniu NH4+.
Un exemplu de mecanism donor-acceptor este cationul de amoniu
Schematic, reacția de formare a unei particule de amoniu este următoarea:
NH3+ H+= NH4+
Electronii din atomul de N sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s2 2s2 2p3.
Structura electronică a cationului H: 1s0.
Atomul de azot de la nivelul exterior conține două s- șitrei electroni p. Trei electroni p participă la formarea a trei legături de tip schimb covalent azot-hidrogen N-H. Aceasta are ca rezultat formarea unei molecule de amoniac NH3 cu o legătură covalentă. Deoarece atomul de azot N de la nivelul exterior are o pereche de electroni s, NH3 poate adăuga și un cation de hidrogen. Molecula de amoniac este un donor, iar cationul de hidrogen H+ - un acceptor care acceptă electroni donatori de la azot la propriul său orbital s liber.
Un exemplu de mecanism donor-acceptor este H3O (ion de hidroniu)
Electronii din atomul de oxigen sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s2 2s2 2p4.
Atomul de oxigen de la nivelul exterior are două s șipatru electroni p. Pe baza acestui fapt, doi electroni p liberi și doi electroni s din doi atomi de H iau parte la formarea legăturilor H-O. Adică există 2 legături existente în molecula de H.2O - covalent, format prin mecanismul de schimb.
Structura electronică a cationului de hidrogen: 1s0.
Deoarece atomul de oxigen la nivelul exteriorexistă încă doi electroni (de tip s), poate forma o a treia legătură de tip covalent prin mecanismul donor-acceptor. Un acceptor poate fi un atom cu un orbital liber, în acest exemplu este o particulă H+... S-orbital liber al H+ ocupă doi electroni (i) ai atomului de oxigen.
Mecanism donor-acceptor pentru formarea unei legături covalente între moleculele anorganice
Mecanismul donor-acceptor al legăturii covalenteeste posibilă nu numai în interacțiunile de tip „atom-atom” sau „moleculă-atom”, ci și în reacțiile care apar între molecule. Singura condiție pentru interacțiunea donor-acceptor a moleculelor independente cinetic este o scădere a entropiei, cu alte cuvinte, o creștere a ordonării structurii chimice.
Luați în considerare primul exemplu - formarea acidului aprotic (acidul Lewis) NH3Bf3... Acest complex anorganic se formează în reacția de adăugare a moleculei de amoniac și fluorură de bor.
NH3+ BF3= NH3Bf3
Electronii din atomul de bor sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s2 2s2 2p1.
La excitarea atomului B, un electron de tip s trece la subnivelul p (1s2 2s1 2p2). Astfel, există doi electroni s și doi p la nivelul exterior al unui atom de bor excitat.
În molecula BF3 se formează trei legături covalente bor-fluor B-Ftip de schimb (atomii de bor și fluor furnizează câte un electron). După formarea a trei legături covalente în atomul de bor de pe învelișul exterior al electronului, rămâne un subnivel p liber, datorită căruia molecula de fluorură de bor poate acționa ca acceptor de electroni.
Electronii din atomul de azot sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s2 2s2 2p3.
La care participă fiecare trei electroni din atomii de N și Hformarea unei legături azot-hidrogen. După aceea, azotul mai are doi electroni de tip s, pe care îi poate asigura pentru formarea unei legături prin mecanismul donor-acceptor.
În reacția de interacțiune dintre trifluorura de bor și amoniacul, molecula de NH3 joacă rolul unui donor de electroni, iar BF3 - un acceptor. O pereche de electroni de azot ocupă orbitalul liber al fluorurii de bor și se formează un compus chimic NH3Bf3.
Un alt exemplu de mecanism pentru formarea unei legături donor-acceptor este producerea unui polimer de fluorură de beriliu.
Reacția este schematic după cum urmează:
BeF2+ BeF2+… + BeF2-> (BeF2)n
Electronii din atomul Be sunt aranjați după cum urmează - 1s2 2s2, iar în atomul F - 1s2 2s2 2p5.
Două legături beriliu-fluor din molecula de fluorură de beriliu sunt de tip schimb covalent (sunt implicați doi electroni p de la doi atomi de fluor și doi electroni ai subnivelului s al atomului de beriliu).
Între o pereche de atomi de beriliu (Be) și fluor (F).prin mecanismul donor-acceptor se formează încă două legături covalente. În polimerul fluorurii de beriliu, atomul de fluor este donorul de electroni, atomul de beriliu este acceptorul lor, care are un orbital liber.
Mecanism donor-acceptor pentru formarea unei legături covalente între moleculele organice
Când legătura este formată dela mecanismul considerat între moleculele de natură organică se formează compuși mai complecși - complecși. Orice compus organic cu o legătură covalentă conține atât orbitali ocupați (nelegători și de legare) cât și goli (slăbiți și nelegători). Posibilitatea formării complexelor donor-acceptor este determinată de gradul de stabilitate a complexului, care depinde de puterea legăturii.
Luați în considerare un exemplu - reacția de interacțiunemolecule de metilamină cu acid clorhidric pentru a forma clorură de metilamoniu. În molecula de metilamină, toate legăturile sunt covalente, formate prin mecanismul de schimb - două legături H-N și o legătură N-CH3... După combinarea cu hidrogen și metilgrup, atomul de azot are și o pereche de electroni de tip s. Ca donator, furnizează această pereche de electroni pentru atomul de hidrogen (acceptor), care are un orbital liber.
Mecanism donor-acceptor fără formarea unei legături chimice
Nu în toate cazurile de donator-acceptatorinteracțiunea este socializarea perechii de electroni și formarea unei legături. Unii compuși organici se pot combina între ei datorită suprapunerii orbitalului donor plin cu orbitalul acceptor gol. Există un transfer de sarcină - electronii sunt delocalizați între acceptor și donor, care sunt foarte aproape unul de celălalt. Se formează complexe de transfer de sarcină (CTC).
Această interacțiune este tipică pentru sistemele pi,ai căror orbiti se suprapun ușor, iar electronii sunt ușor polarizați. Metalocenii, compușii amino nesaturați, TDAE (tetrakis (dimetilamino) etilenă) pot acționa ca donatori. Fulerenele și chinodimetanii cu substituenți acceptori sunt adesea acceptori.
Transferul de taxe poate fi parțial sau complet. Transferul complet al sarcinii are loc la fotoexcitarea moleculei. Aceasta formează un complex care poate fi observat spectral.
Indiferent de caracterul complet al transferului de taxe, așacomplexele sunt instabile. Pentru a crește rezistența și durata de viață a unei astfel de stări, este introdus suplimentar un grup de punte. Ca urmare, sistemele donator-acceptator sunt utilizate cu succes în dispozitivele de conversie a energiei solare.
În unele molecule organice, legăturamecanismul donor-acceptor se formează în interiorul moleculei dintre grupările donor și acceptor. Acest tip de interacțiune se numește efect transanular, caracteristic, de exemplu, atranelor (compuși organoelementali cu legături N-> B, N-> Si).
Legătură semipolară sau mecanism dativ de formare a legăturilor
Pe lângă schimb și donator-acceptator, existăal treilea mecanism este dativ (alte denumiri sunt semipolar, semipolar sau comunicare de coordonare). Atomul donor donează o pereche de electroni orbitalului liber al atomului neutru, care are nevoie de doi electroni pentru a completa nivelul exterior. Există un fel de tranziție a densității de electroni de la acceptor la donor. În acest caz, donatorul devine încărcat pozitiv (cation), iar acceptorul devine încărcat negativ (anion).
Legătura chimică reală se formează datorităînvelișul de legătură (suprapunerea a doi electroni perechi ai unuia dintre atomi cu orbitalul exterior liber al celuilalt) și atracția electrostatică care apare între cation și anion. Astfel, tipurile covalente și ionice sunt combinate în legătura semipolară. O legătură semipolară este caracteristică elementelor d, care în diferiți compuși pot juca atât rolul unui acceptor, cât și al unui donor. În cele mai multe cazuri, se găsește în substanțe complexe și organice.
Exemple de link dativ
Cel mai simplu exemplu este o moleculă de clor.Un atom de Cl donează o pereche de electroni unui alt atom de clor, care are un d-orbital liber. În acest caz, un atom de Cl este încărcat pozitiv, celălalt negativ și între ei apare o atracție electrostatică. Datorită lungimii sale mari, legătura dativă are o rezistență mai mică în comparație cu schimbul covalent și tipul donor-acceptor, dar prezența sa crește rezistența moleculei de clor. De aceea Cl2 mai puternic decat F2 (atomul de fluor nu are orbitali d, legătura fluor-fluor este doar schimb covalent).
Molecula de monoxid de carbon CO (monoxid de carbon)format din trei legături C-O. Deoarece atomii de oxigen și carbon au doi electroni unici la nivelul exterior, între ei se formează două legături de schimb covalente. După aceea, atomul de carbon are un orbital liber, iar atomul O are două perechi de electroni la nivelul exterior. Prin urmare, în molecula de monoxid de carbon (II) există o a treia legătură - una semipolară, formată din cauza a doi electroni perechi de valență ai oxigenului și a unui orbital liber al carbonului.
Luați în considerare un exemplu mai complex - formarea acestui tip de legătură pe exemplul interacțiunii eterului dimetil (Н3С-О-СН3) cu clorură de aluminiu AlCl3... Atomul de oxigen din eterul dimetil este legat prin doilegături covalente cu grupări metil. După aceea, el mai are încă doi electroni la subnivelul p, pe care îi dă atomului acceptor (aluminiu) și devine un cation pozitiv. În acest caz, atomul acceptor capătă o sarcină negativă (se transformă într-un anion). Cationul și anionul interacționează electrostatic unul cu celălalt.
Valoarea obligațiunii donator-acceptator
Mecanismul formării legăturii donor-acceptoreste important în viața umană și este larg răspândit în compușii chimici de natură atât organică, cât și anorganică, ceea ce este confirmat de exemplele discutate mai sus. Alcoolul de amoniu, care conține un cation de amoniu, este utilizat cu succes în viața de zi cu zi, în medicină și în producția industrială de îngrășăminte. Ionul de hidroniu joacă un rol major în dizolvarea acizilor în apă. Monoxidul de carbon este utilizat în industrie (de exemplu, în producția de îngrășăminte, sisteme laser) și are o importanță deosebită în sistemele fiziologice ale corpului uman.
