Por que os átomos podem se combinar para formar moléculas? Qual é a razão para a possível existência de substâncias, que incluem átomos de elementos químicos completamente diferentes? Estas são questões globais que afetam os conceitos fundamentais da ciência física e química moderna. Você pode respondê-las tendo uma ideia sobre a estrutura eletrônica dos átomos e conhecendo as características da ligação covalente, que é a base básica para a maioria das classes de compostos. O objetivo do nosso artigo é conhecer os mecanismos de formação de vários tipos de ligações químicas e as características das propriedades dos compostos que as contêm em suas moléculas.
Estrutura eletrônica do átomo
As partículas eletroneutras da matéria, que são seus elementos estruturais, têm uma estrutura que espelha a estrutura do sistema solar. À medida que os planetas giram em torno da estrela central - o Sol, os elétrons no átomo se movem em torno do núcleo carregado positivamente. Para caracterizarEm uma ligação covalente, os elétrons localizados no último nível de energia e mais distante do núcleo serão significativos. Como sua conexão com o centro de seu próprio átomo é mínima, eles podem ser facilmente atraídos pelos núcleos de outros átomos. Isso é muito importante para a ocorrência de interações interatômicas que levam à formação de moléculas. Por que a forma molecular é o principal tipo de existência da matéria em nosso planeta? Vamos descobrir.
Propriedade básica dos átomos
A capacidade de partículas eletricamente neutras interagirem, levando a um ganho de energia, é sua característica mais importante. De fato, em condições normais, o estado molecular da matéria é mais estável que o estado atômico. As principais disposições da teoria atômica e molecular moderna explicam tanto os princípios da formação de moléculas quanto as características de uma ligação covalente. Lembre-se que o nível de energia externo de um átomo pode conter de 1 a 8 elétrons, neste último caso a camada estará completa, o que significa que será muito estável. Os átomos de gases nobres têm uma estrutura de nível externo: argônio, criptônio, xenônio - elementos inertes que completam cada período no sistema de D. I. Mendeleev. A exceção aqui é o hélio, que não tem 8, mas apenas 2 elétrons no último nível. A razão é simples: no primeiro período existem apenas dois elementos cujos átomos possuem uma única camada de elétrons. Todos os outros elementos químicos têm de 1 a 7 elétrons na última camada incompleta. No processo de interação uns com os outros, os átomosesforçar-se para ser preenchido com elétrons até um octeto e restaurar a configuração de um átomo de um elemento inerte. Tal estado pode ser alcançado de duas maneiras: pela perda do próprio ou pela aceitação de partículas estranhas carregadas negativamente. Essas formas de interação explicam como determinar se uma ligação iônica ou covalente se formará entre os átomos reagentes.
Mecanismos para a formação de uma configuração eletrônica estável
Vamos imaginar que duas substâncias simples entrem na reação do composto: sódio metálico e cloro gasoso. Uma substância da classe de sais é formada - cloreto de sódio. Tem um tipo iônico de ligação química. Por que e como surgiu? Voltemos novamente à estrutura dos átomos das substâncias iniciais. O sódio tem apenas um elétron na última camada, fracamente ligado ao núcleo devido ao grande raio do átomo. A energia de ionização de todos os metais alcalinos, incluindo o sódio, é baixa. Portanto, o elétron do nível externo sai do nível de energia, é atraído pelo núcleo do átomo de cloro e permanece em seu espaço. Isso cria um precedente para a transição do átomo de Cl para a forma de um íon carregado negativamente. Agora não estamos mais lidando com partículas eletricamente neutras, mas com cátions de sódio carregados e ânions de cloro. De acordo com as leis da física, forças de atração eletrostática surgem entre eles, e o composto forma uma rede cristalina iônica. O mecanismo de formação do tipo iônico de uma ligação química por nós considerado ajudará a esclarecer mais claramente as especificidades e as principais características de uma ligação covalente.
Pares de elétrons compartilhados
Se uma ligação iônica ocorre entre átomos de elementos que são muito diferentes em eletronegatividade, ou seja, metais e não metais, então o tipo covalente aparece quando átomos do mesmo ou de diferentes elementos não metálicos interagem. No primeiro caso, costuma-se falar em apolar e, no outro, na forma polar de uma ligação covalente. O mecanismo de sua formação é comum: cada um dos átomos fornece parcialmente elétrons para uso comum, que são combinados em pares. Mas o arranjo espacial dos pares de elétrons em relação aos núcleos dos átomos será diferente. Com base nisso, os tipos de ligações covalentes são distinguidos - não polares e polares. Na maioria das vezes, em compostos químicos constituídos por átomos de elementos não metálicos, existem pares constituídos por elétrons com spins opostos, ou seja, girando em torno de seus núcleos em direções opostas. Uma vez que o movimento de partículas carregadas negativamente no espaço leva à formação de nuvens de elétrons, que acabam por terminar em sua sobreposição mútua. Quais são as consequências desse processo para os átomos e a que isso leva?
Propriedades físicas de uma ligação covalente
Acontece que entre os centros de dois átomos em interação existe uma nuvem de dois elétrons com alta densidade. As forças eletrostáticas de atração entre a própria nuvem carregada negativamente e os núcleos dos átomos aumentam. Uma parte da energia é liberada e as distâncias entre os centros atômicos diminuem. Por exemplo, no início da formação de uma molécula H2 a distância entre os núcleos dos átomos de hidrogênioé 1,06 A, após a sobreposição de nuvens e a formação de um par de elétrons comum - 0,74 A. Exemplos de uma ligação covalente formada de acordo com o mecanismo acima podem ser encontrados tanto entre substâncias inorgânicas simples quanto complexas. Sua principal característica distintiva é a presença de pares de elétrons comuns. Como resultado, após o surgimento de uma ligação covalente entre os átomos, por exemplo, o hidrogênio, cada um deles adquire a configuração eletrônica de hélio inerte, e a molécula resultante tem uma estrutura estável.
Forma espacial de uma molécula
Outra propriedade física muito importante de uma ligação covalente é a direcionalidade. Depende da configuração espacial da molécula da substância. Por exemplo, quando dois elétrons se sobrepõem com uma nuvem esférica, a aparência da molécula é linear (cloreto de hidrogênio ou brometo de hidrogênio). A forma das moléculas de água, nas quais as nuvens s e p se hibridizam, é angular, e partículas muito fortes de nitrogênio gasoso parecem uma pirâmide.
Estrutura de substâncias simples - não metais
Tendo descoberto que tipo de ligação é chamada covalente, quais os sinais que ela possui, agora é hora de lidar com suas variedades. Se os átomos do mesmo não-metal - cloro, nitrogênio, oxigênio, bromo, etc., interagem entre si, as substâncias simples correspondentes são formadas. Seus pares de elétrons comuns estão localizados à mesma distância dos centros dos átomos, sem deslocamento. Para compostos com um tipo de ligação covalente não polar, as seguintes características são inerentes: baixo ponto de ebulição efusão, insolubilidade em água, propriedades dielétricas. A seguir, descobriremos quais substâncias são caracterizadas por uma ligação covalente, na qual ocorre um deslocamento de pares de elétrons comuns.
Eletronegatividade e seu efeito no tipo de ligação química
A propriedade de um elemento em particular de atrair elétrons de um átomo de outro elemento em química é chamada de eletronegatividade. A escala de valores para este parâmetro, proposta por L. Pauling, pode ser encontrada em todos os livros didáticos de química inorgânica e geral. Seu valor mais alto - 4,1 eV - tem flúor, o menor - outros não metais ativos, e o indicador mais baixo é típico de metais alcalinos. Se os elementos que diferem em sua eletronegatividade reagem entre si, então inevitavelmente um, mais ativo, atrairá partículas carregadas negativamente de um átomo de um elemento mais passivo para seu núcleo. Assim, as propriedades físicas de uma ligação covalente dependem diretamente da capacidade dos elementos de doar elétrons para uso comum. Os pares comuns resultantes não estão mais localizados simetricamente em relação aos núcleos, mas são deslocados em direção ao elemento mais ativo.
Características de compostos com ligação polar
Substâncias em moléculas cujos pares de elétrons conjuntos são assimétricos em relação aos núcleos dos átomos incluem haletos de hidrogênio, ácidos, compostos de calcogênios com hidrogênio e óxidos de ácido. Estes são ácidos de sulfato e nitrato, óxidos de enxofre e fósforo, sulfeto de hidrogênio, etc. Por exemplo, uma molécula de cloreto de hidrogênio contém um par de elétrons comum,formado por elétrons desemparelhados de hidrogênio e cloro. Ele é deslocado para mais perto do centro do átomo de Cl, que é um elemento mais eletronegativo. Todas as substâncias com uma ligação polar em soluções aquosas se dissociam em íons e conduzem uma corrente elétrica. Compostos que têm uma ligação covalente polar, exemplos dos quais demos, também têm pontos de fusão e ebulição mais altos em comparação com substâncias não metálicas simples.
Métodos para quebrar ligações químicas
Em química orgânica, as reações de substituição de hidrocarbonetos saturados por halogênios seguem um mecanismo radicalar. Uma mistura de metano e cloro à luz e à temperatura normal reage de tal forma que as moléculas de cloro começam a se dividir em partículas carregando elétrons desemparelhados. Em outras palavras, observa-se a destruição do par de elétrons comum e a formação de radicais muito ativos -Cl. Eles são capazes de influenciar as moléculas de metano de tal forma que quebram a ligação covalente entre os átomos de carbono e hidrogênio. Uma partícula ativa –H é formada, e a valência livre do átomo de carbono assume um radical cloro, e o clorometano se torna o primeiro produto da reação. Tal mecanismo para a divisão de moléculas é chamado de homolítico. Se o par comum de elétrons passa completamente para a posse de um dos átomos, eles falam de um mecanismo heterolítico característico de reações que ocorrem em soluções aquosas. Neste caso, as moléculas de água polar aumentarão a taxa de destruição das ligações químicas do composto dissolvido.
Duplo e triplolinks
A grande maioria das substâncias orgânicas e alguns compostos inorgânicos contêm em suas moléculas não um, mas vários pares de elétrons comuns. A multiplicidade da ligação covalente reduz a distância entre os átomos e aumenta a estabilidade dos compostos. Eles são geralmente referidos como quimicamente resistentes. Por exemplo, em uma molécula de nitrogênio existem três pares de elétrons, eles são indicados na fórmula estrutural por três traços e determinam sua força. A substância simples nitrogênio é quimicamente inerte e pode reagir com outros compostos, como hidrogênio, oxigênio ou metais, somente quando aquecida ou sob pressão elevada, bem como na presença de catalisadores.
As ligações duplas e triplas são inerentes a classes de compostos orgânicos como hidrocarbonetos dieno insaturados, bem como substâncias da série etileno ou acetileno. Múltiplas ligações determinam as principais propriedades químicas: reações de adição e polimerização que ocorrem nos pontos de sua quebra.
Em nosso artigo, demos uma descrição geral da ligação covalente e examinamos seus principais tipos.
