O conceito de ligação química não tem pouca importância em vários campos da química como ciência. Isso se deve ao fato de que é com sua ajuda que os átomos individuais são capazes de se combinar em moléculas, formando todos os tipos de substâncias, que, por sua vez, são objeto de pesquisas químicas.
A variedade de átomos e moléculas está associada ao surgimento de vários tipos de ligações entre eles. Diferentes classes de moléculas são caracterizadas por suas próprias características de distribuição de elétrons e, portanto, seus próprios tipos de ligações.
Conceitos básicos
Uma ligação química é um conjunto de interações que levam à ligação de átomos para formar partículas estáveis de estrutura mais complexa (moléculas, íons, radicais), bem como agregados (cristais, vidros, etc.). A natureza dessas interações é elétrica por natureza, e elas surgem durante a distribuição de elétrons de valência em átomos que se aproximam.
Valência é geralmente chamada de capacidade de um átomo de formar um certo número de ligações com outros átomos. Em compostos iônicos, o número de elétrons dados ou ligados é tomado como o valor de valência. NOem compostos covalentes, é igual ao número de pares de elétrons comuns.
O estado de oxidação é entendido como a carga condicional que poderia estar em um átomo se todas as ligações covalentes polares fossem iônicas.
A multiplicidade de ligação é o número de pares de elétrons compartilhados entre os átomos considerados.
As ligações consideradas em vários ramos da química podem ser divididas em dois tipos de ligações químicas: aquelas que levam à formação de novas substâncias (intramoleculares), e aquelas que surgem entre moléculas (intermoleculares).
Características básicas de comunicação
A energia de ligação é a energia necessária para quebrar todas as ligações existentes em uma molécula. É também a energia liberada durante a formação da ligação.
O comprimento da ligação é a distância entre núcleos adjacentes de átomos em uma molécula, na qual as forças de atração e repulsão são equilibradas.
Estas duas características da ligação química dos átomos são uma medida de sua força: quanto menor o comprimento e maior a energia, mais forte a ligação.
O ângulo de ligação é geralmente chamado de ângulo entre as linhas representadas que passam na direção da ligação através dos núcleos dos átomos.
Métodos para descrever links
As duas abordagens mais comuns para explicar a ligação química, emprestadas da mecânica quântica:
Método dos orbitais moleculares. Ele considera uma molécula como um conjunto de elétrons e núcleos de átomos, com cada elétron individual se movendo no campo de ação de todos os outros elétrons e núcleos. A molécula tem uma estrutura orbital, e todos os seus elétrons são distribuídos ao longo dessas órbitas. Além disso, esse método é chamado de MO LCAO, que significa "orbital molecular - uma combinação linear de orbitais atômicos".
Método das ligações de valência. Representa uma molécula como um sistema de dois orbitais moleculares centrais. Além disso, cada um deles corresponde a uma ligação entre dois átomos adjacentes na molécula. O método é baseado nas seguintes disposições:
- A formação de uma ligação química é realizada por um par de elétrons com spins opostos, localizados entre os dois átomos considerados. O par de elétrons formado pertence a dois átomos igualmente.
- O número de ligações formadas por um ou outro átomo é igual ao número de elétrons desemparelhados no estado fundamental e excitado.
- Se os pares de elétrons não participam da formação de uma ligação, então eles são chamados de pares isolados.
Eletronegatividade
É possível determinar o tipo de ligação química em substâncias com base na diferença dos valores de eletronegatividade de seus átomos constituintes. A eletronegatividade é entendida como a capacidade dos átomos de atrair pares de elétrons comuns (nuvem de elétrons), o que leva à polarização da ligação.
Existem várias maneiras de determinar os valores da eletronegatividade dos elementos químicos. No entanto, a mais utilizada é a escala baseada em dados termodinâmicos, que foi proposta em 1932 por L. Pauling.
Quanto maior a diferença na eletronegatividade dos átomos, mais pronunciada sua ionicidade. Pelo contrário, valores de eletronegatividade iguais ou próximos indicam a natureza covalente da ligação. Em outras palavras, é possível determinar matematicamente qual ligação química é observada em uma determinada molécula. Para fazer isso, você precisa calcular ΔX - a diferença na eletronegatividade dos átomos de acordo com a fórmula: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Se ΔХ>1, 7, então a ligação é iônica.
- Se 0,5≦ΔХ≦1,7, então a ligação covalente é polar.
- Se ΔХ=0 ou próximo a ele, então a ligação é covalente não polar.
Ligação Iônica
Iônica é uma ligação que aparece entre íons ou devido à retirada completa de um par de elétrons comum por um dos átomos. Nas substâncias, esse tipo de ligação química é realizada por forças de atração eletrostática.
Íons são partículas carregadas formadas a partir de átomos como resultado do ganho ou perda de elétrons. Quando um átomo aceita elétrons, ele adquire uma carga negativa e se torna um ânion. Se um átomo doa elétrons de valência, ele se torna uma partícula carregada positivamente chamada de cátion.
É característico de compostos formados pela interação de átomos de metais típicos com átomos de não metais típicos. O principal deste processo é a aspiração dos átomos a adquirirem configurações eletrônicas estáveis. E para isso, metais e não metais típicos precisam dar ou aceitar apenas 1-2 elétrons,o que eles fazem com facilidade.
O mecanismo de formação de uma ligação química iônica em uma molécula é tradicionalmente considerado usando o exemplo da interação de sódio e cloro. Átomos de metais alcalinos doam facilmente um elétron puxado por um átomo de halogênio. O resultado é o cátion Na+ e o ânion Cl-, que são mantidos juntos por atração eletrostática.
Não existe ligação iônica ideal. Mesmo nesses compostos, que são frequentemente chamados de iônicos, a transferência final de elétrons de um átomo para outro não ocorre. O par de elétrons formado ainda permanece em uso comum. Portanto, eles falam sobre o grau de ionicidade de uma ligação covalente.
A ligação iônica é caracterizada por duas propriedades principais relacionadas entre si:
- não direcional, ou seja, o campo elétrico ao redor do íon tem a forma de uma esfera;
- Insaturação, ou seja, o número de íons de cargas opostas que podem ser colocados em torno de qualquer íon, é determinado pelo seu tamanho.
Ligação química covalente
A ligação formada quando as nuvens de elétrons de átomos não metálicos se sobrepõem, ou seja, realizada por um par de elétrons comum, é chamada de ligação covalente. O número de pares de elétrons compartilhados determina a multiplicidade da ligação. Assim, os átomos de hidrogênio estão ligados por uma única ligação H··H, e os átomos de oxigênio formam uma ligação dupla O::O.
Existem dois mecanismos para sua formação:
- Troca - cada átomo representa um elétron para a formação de um par comum: A +B=A: B, enquanto a conexão envolve orbitais atômicos externos, nos quais um elétron está localizado.
- Doador-aceitador - para formar uma ligação, um dos átomos (doador) fornece um par de elétrons, e o segundo (aceitador) - um orbital livre para sua colocação: A +:B=A:B.
As maneiras pelas quais as nuvens de elétrons se sobrepõem quando uma ligação química covalente é formada também são diferentes.
- Direto. A região de sobreposição de nuvens encontra-se em uma linha imaginária reta conectando os núcleos dos átomos considerados. Neste caso, as ligações σ são formadas. O tipo de ligação química que ocorre neste caso depende do tipo de nuvens eletrônicas que sofrem sobreposição: s-s, s-p, p-p, s-d ou p-d σ-bonds. Em uma partícula (molécula ou íon), apenas uma ligação σ pode ocorrer entre dois átomos vizinhos.
- Lado. É realizado em ambos os lados da linha que conecta os núcleos dos átomos. É assim que uma ligação π é formada, e suas variedades também são possíveis: p-p, p-d, d-d. Separada da ligação σ, a ligação π nunca é formada, podendo ocorrer em moléculas contendo ligações múltiplas (duplas e triplas).
Propriedades da ligação covalente
Eles determinam as características químicas e físicas dos compostos. As principais propriedades de qualquer ligação química em substâncias são sua direcionalidade, polaridade e polarização, bem como a saturação.
A direcionalidade da ligação determina as características da moléculaa estrutura das substâncias e a forma geométrica de suas moléculas. Sua essência está no fato de que a melhor sobreposição de nuvens de elétrons é possível com uma certa orientação no espaço. As opções para a formação de ligações σ e π já foram consideradas acima.
Saturação é entendida como a capacidade dos átomos de formar um certo número de ligações químicas em uma molécula. O número de ligações covalentes para cada átomo é limitado pelo número de orbitais externos.
A polaridade da ligação depende da diferença nos valores de eletronegatividade dos átomos. Ele determina a uniformidade da distribuição de elétrons entre os núcleos dos átomos. Uma ligação covalente nesta base pode ser polar ou não polar.
- Se o par de elétrons comum pertence igualmente a cada um dos átomos e está localizado à mesma distância de seus núcleos, então a ligação covalente é apolar.
- Se o par comum de elétrons é deslocado para o núcleo de um dos átomos, forma-se uma ligação química polar covalente.
Polarizabilidade é expressa pelo deslocamento de elétrons de ligação sob a ação de um campo elétrico externo, que pode pertencer a outra partícula, ligações vizinhas na mesma molécula, ou vir de fontes externas de campos eletromagnéticos. Assim, uma ligação covalente sob sua influência pode mudar sua polaridade.
Sob a hibridização de orbitais entenda a mudança em suas formas na implementação de uma ligação química. Isso é necessário para obter a sobreposição mais eficaz. Existem os seguintes tipos de hibridização:
- sp3. Um s- e três p-orbitais formam quatroorbitais "híbridos" da mesma forma. Externamente, assemelha-se a um tetraedro com um ângulo entre os eixos de 109 °.
- sp2. Um s- e dois p-orbitais formam um triângulo plano com um ângulo entre os eixos de 120°.
- sp. Um orbital s- e um orbital p formam dois orbitais "híbridos" com um ângulo entre seus eixos de 180°.
Liga metálica
Uma característica da estrutura dos átomos metálicos é um raio bastante grande e a presença de um pequeno número de elétrons nos orbitais externos. Como resultado, em tais elementos químicos, a ligação entre o núcleo e os elétrons de valência é relativamente fraca e facilmente quebrada.
A ligação metálica é uma interação entre átomos e íons metálicos, que é realizada com a ajuda de elétrons deslocalizados.
Em partículas metálicas, os elétrons de valência podem facilmente deixar orbitais externos, bem como ocupar lugares vagos neles. Assim, em momentos diferentes, a mesma partícula pode ser um átomo e um íon. Os elétrons arrancados deles se movem livremente por todo o volume da rede cristalina e realizam uma ligação química.
Esse tipo de ligação tem semelhanças com a iônica e a covalente. Assim como para os iônicos, os íons são necessários para a existência de uma ligação metálica. Mas se para a implementação da interação eletrostática no primeiro caso são necessários cátions e ânions, no segundo, o papel das partículas carregadas negativamente é desempenhado pelos elétrons. Se compararmos uma ligação metálica com uma ligação covalente, a formação de ambas requer elétrons comuns. No entanto, emao contrário de uma ligação química polar, eles não estão localizados entre dois átomos, mas pertencem a todas as partículas metálicas na rede cristalina.
As ligações metálicas são responsáveis pelas propriedades especiais de quase todos os metais:
- plasticidade, presente devido à possibilidade de deslocamento de camadas de átomos na rede cristalina mantida pelo gás de elétrons;
- brilho metálico, que é observado devido à reflexão dos raios de luz dos elétrons (no estado de pó não há rede cristalina e, portanto, os elétrons se movem ao longo dela);
- condutividade elétrica, que é realizada por um fluxo de partículas carregadas e, neste caso, pequenos elétrons se movem livremente entre grandes íons metálicos;
- condutividade térmica, observada devido à capacidade dos elétrons de transferir calor.
Ligação de hidrogênio
Esse tipo de ligação química às vezes é chamado de intermediário entre interação covalente e intermolecular. Se um átomo de hidrogênio tem uma ligação com um dos elementos fortemente eletronegativos (como fósforo, oxigênio, cloro, nitrogênio), ele é capaz de formar uma ligação adicional, chamada hidrogênio.
É muito mais fraca do que todos os tipos de ligações considerados acima (a energia não é superior a 40 kJ/mol), mas não pode ser desprezada. É por isso que a ligação química do hidrogênio no diagrama se parece com uma linha pontilhada.
A ocorrência de uma ligação de hidrogênio é possível devido à interação eletrostática doador-aceptor ao mesmo tempo. Grande diferença de valoresA eletronegatividade leva ao aparecimento de excesso de densidade eletrônica nos átomos O, N, F e outros, bem como à sua f alta no átomo de hidrogênio. No caso de não haver ligação química existente entre esses átomos, as forças atrativas são ativadas se estiverem próximas o suficiente. Neste caso, o próton é um aceptor de par de elétrons, e o segundo átomo é um doador.
A ligação de hidrogênio pode ocorrer tanto entre moléculas vizinhas, por exemplo, água, ácidos carboxílicos, álcoois, amônia, quanto dentro de uma molécula, por exemplo, ácido salicílico.
A presença de uma ligação de hidrogênio entre as moléculas de água explica várias de suas propriedades físicas únicas:
- Os valores de sua capacidade calorífica, constante dielétrica, pontos de ebulição e fusão, de acordo com os cálculos, devem ser bem menores que os reais, o que se explica pela ligação das moléculas e pela necessidade de dispêndio energia para quebrar ligações de hidrogênio intermoleculares.
- Ao contrário de outras substâncias, quando a temperatura cai, o volume de água aumenta. Isso se deve ao fato de que as moléculas ocupam uma determinada posição na estrutura cristalina do gelo e se afastam umas das outras pelo comprimento da ligação de hidrogênio.
Essa conexão desempenha um papel especial para os organismos vivos, pois sua presença nas moléculas de proteínas determina sua estrutura especial e, portanto, suas propriedades. Além disso, os ácidos nucléicos, que compõem a dupla hélice do DNA, também são conectados precisamente por ligações de hidrogênio.
Comunicação em cristais
A grande maioria dos sólidos tem uma rede cristalina - umao arranjo mútuo das partículas que os formam. Neste caso, a periodicidade tridimensional é observada, e átomos, moléculas ou íons estão localizados nos nós, que são conectados por linhas imaginárias. Dependendo da natureza dessas partículas e das ligações entre elas, todas as estruturas cristalinas são divididas em atômicas, moleculares, iônicas e metálicas.
Existem cátions e ânions nos nós da rede cristalina iônica. Além disso, cada um deles é cercado por um número estritamente definido de íons com apenas a carga oposta. Um exemplo típico é o cloreto de sódio (NaCl). Eles tendem a ter altos pontos de fusão e dureza, pois exigem muita energia para quebrar.
Moléculas de substâncias formadas por uma ligação covalente estão localizadas nos nós da rede cristalina molecular (por exemplo, I2). Eles estão conectados entre si por uma fraca interação de van der Waals e, portanto, essa estrutura é fácil de destruir. Tais compostos têm pontos de ebulição e fusão baixos.
A rede cristalina atômica é formada por átomos de elementos químicos com altos valores de valência. Eles estão conectados por fortes ligações covalentes, o que significa que as substâncias têm altos pontos de ebulição, pontos de fusão e alta dureza. Um exemplo é um diamante.
Assim, todos os tipos de ligações encontradas em substâncias químicas têm características próprias, que explicam os meandros da interação de partículas em moléculas e substâncias. As propriedades dos compostos dependem deles. Eles determinam todos os processos que ocorrem no ambiente.
