Raramente sostanze chimiche sono costituiti da atomi individuali e non correlati di elementi chimici. In condizioni normali, solo un piccolo numero di gas chiamati gas nobili hanno questa struttura: elio, neon, argon, kripton, xeno e radon. Molto spesso le sostanze chimiche non sono costituite da atomi isolati, ma dalla loro combinazione in vari gruppi. Tali associazioni di atomi possono contare pochi, centinaia, migliaia o anche più atomi. Viene chiamata la forza che tiene questi atomi in tali gruppi legame chimico .

In altre parole, possiamo dire che un legame chimico è un'interazione che prevede la connessione dei singoli atomi in strutture più complesse (molecole, ioni, radicali, cristalli, ecc.).

La ragione della formazione di un legame chimico è che l'energia delle strutture più complesse è inferiore all'energia totale dei singoli atomi che la formano.

Quindi, in particolare, se l'interazione degli atomi X e Y produce una molecola XY, ciò significa che Energia interna le molecole di questa sostanza sono inferiori all'energia interna dei singoli atomi da cui è stata formata:

E(XY)< E(X) + E(Y)

Per questo motivo, quando si formano legami chimici tra i singoli atomi, viene rilasciata energia.

Elettroni dello strato elettronico esterno con la più bassa energia di legame con il nucleo, chiamati valenza. Ad esempio, nel boro questi sono elettroni del 2o livello energetico - 2 elettroni su 2 S- orbitali e 1 per 2 P-orbitali:

Quando si forma un legame chimico, ciascun atomo tende ad assumere la configurazione elettronica degli atomi dei gas nobili, cioè in modo che ci siano 8 elettroni nel suo strato elettronico esterno (2 per gli elementi del primo periodo). Questo fenomeno è chiamato regola dell’ottetto.

È possibile che gli atomi raggiungano la configurazione elettronica di un gas nobile se inizialmente i singoli atomi condividono alcuni dei loro elettroni di valenza con altri atomi. In questo caso si formano coppie di elettroni comuni.

A seconda del grado di condivisione degli elettroni si possono distinguere legami covalenti, ionici e metallici.

Legame covalente

I legami covalenti si verificano più spesso tra atomi di elementi non metallici. Se gli atomi non metallici che formano un legame covalente appartengono a diversi elementi chimici, tale legame è chiamato legame covalente polare. La ragione di questo nome sta nel fatto che gli atomi di elementi diversi hanno anche diverse capacità di attrarre una coppia di elettroni comune. Ovviamente, ciò porta ad uno spostamento della coppia elettronica comune verso uno degli atomi, a seguito del quale su di esso si forma una carica negativa parziale. A sua volta, sull'altro atomo si forma una carica parziale positiva. Ad esempio, in una molecola di acido cloridrico la coppia di elettroni viene spostata dall'atomo di idrogeno all'atomo di cloro:

Esempi di sostanze con legami covalenti polari:

CCl4, H2S, CO2, NH3, SiO2, ecc.

Un legame covalente non polare si forma tra atomi non metallici dello stesso elemento chimico. Poiché gli atomi sono identici, anche la loro capacità di attrarre gli elettroni condivisi è la stessa. A questo proposito, non si osserva alcuno spostamento della coppia di elettroni:

Il meccanismo sopra descritto per la formazione di un legame covalente, quando entrambi gli atomi forniscono elettroni per formare coppie di elettroni comuni, è chiamato scambio.

Esiste anche un meccanismo donatore-accettore.

Quando un legame covalente si forma mediante il meccanismo donatore-accettore, si forma una coppia di elettroni condivisa a causa dell'orbitale pieno di un atomo (con due elettroni) e dell'orbitale vuoto di un altro atomo. Un atomo che fornisce una coppia solitaria di elettroni è chiamato donatore, mentre un atomo con un orbitale vuoto è chiamato accettore. Gli atomi che hanno elettroni accoppiati, ad esempio N, O, P, S, agiscono come donatori di coppie di elettroni.

Ad esempio, secondo il meccanismo donatore-accettore, la formazione del quarto covalente Collegamenti NH nel catione ammonio NH 4+:

Oltre alla polarità, i legami covalenti sono caratterizzati anche dall’energia. L’energia di legame è l’energia minima richiesta per rompere un legame tra atomi.

L'energia di legame diminuisce all'aumentare del raggio degli atomi legati. Poiché sappiamo che i raggi atomici aumentano scendendo nei sottogruppi, possiamo, ad esempio, concludere che la forza del legame alogeno-idrogeno aumenta nella serie:

CIAO< HBr < HCl < HF

Inoltre, l'energia del legame dipende dalla sua molteplicità: maggiore è la molteplicità del legame, maggiore è la sua energia. La molteplicità dei legami si riferisce al numero di coppie di elettroni condivise tra due atomi.

Legame ionico

Un legame ionico può essere considerato un caso estremo di legame covalente polare. Se in un legame covalente-polare la coppia di elettroni comuni è parzialmente spostata su una delle coppie di atomi, in un legame ionico viene quasi completamente “data” a uno degli atomi. L'atomo che dona elettroni acquisisce una carica positiva e diventa catione, e l'atomo che ha preso gli elettroni da esso acquisisce una carica negativa e diventa anione.

Così, legame ionicoè un legame formato a causa dell'attrazione elettrostatica dei cationi verso gli anioni.

La formazione di questo tipo di legame è tipica durante l'interazione di atomi di metalli tipici e tipici non metalli.

Ad esempio, fluoruro di potassio. Il catione potassio si forma mediante la rimozione di un elettrone da un atomo neutro e lo ione fluoro si forma mediante l'aggiunta di un elettrone all'atomo di fluoro:

Tra gli ioni risultanti si crea una forza di attrazione elettrostatica, che porta alla formazione di un composto ionico.

Quando si formò un legame chimico, gli elettroni dell'atomo di sodio passarono all'atomo di cloro e si formarono ioni con carica opposta, che hanno un livello di energia esterna completo.

È stato accertato che gli elettroni dell'atomo di metallo non vengono completamente staccati, ma vengono solo spostati verso l'atomo di cloro, come in un legame covalente.

La maggior parte dei composti binari che contengono atomi di metallo sono ionici. Ad esempio, ossidi, alogenuri, solfuri, nitruri.

Il legame ionico si verifica anche tra cationi semplici e anioni semplici (F −, Cl −, S 2-), nonché tra cationi semplici e anioni complessi (NO 3 −, SO 4 2-, PO 4 3-, OH −). Pertanto, i composti ionici includono sali e basi (Na 2 SO 4, Cu(NO 3) 2, (NH 4) 2 SO 4), Ca(OH) 2, NaOH)

Collegamento in metallo

Questo tipo di legame si forma nei metalli.

Gli atomi di tutti i metalli hanno elettroni nel loro strato elettronico esterno che hanno una bassa energia di legame con il nucleo dell'atomo. Per la maggior parte dei metalli, il processo di perdita degli elettroni esterni è energeticamente favorevole.

A causa di un'interazione così debole con il nucleo, questi elettroni nei metalli sono molto mobili e in ciascun cristallo metallico si verifica continuamente il seguente processo:

Ì 0 — ne − = M n + ,

dove M 0 è un atomo di metallo neutro e M n + un catione dello stesso metallo. La figura seguente fornisce un'illustrazione dei processi in atto.

Cioè, gli elettroni "corrono" attraverso un cristallo metallico, staccandosi da un atomo di metallo, formando da esso un catione, unendosi a un altro catione, formando un atomo neutro. Questo fenomeno era chiamato “vento di elettroni” e la raccolta di elettroni liberi in un cristallo di un atomo non metallico era chiamata “gas di elettroni”. Questo tipo di interazione tra gli atomi metallici è chiamato legame metallico.

Legame idrogeno

Se un atomo di idrogeno in una sostanza è legato a un elemento con elevata elettronegatività (azoto, ossigeno o fluoro), quella sostanza è caratterizzata da un fenomeno chiamato legame idrogeno.

Poiché un atomo di idrogeno è legato a un atomo elettronegativo, sull'atomo di idrogeno si forma una carica parziale positiva e sull'atomo dell'elemento elettronegativo si forma una carica parziale negativa. A questo proposito, l'attrazione elettrostatica diventa possibile tra un atomo di idrogeno parzialmente carico positivamente di una molecola e un atomo elettronegativo di un'altra. Ad esempio, il legame idrogeno si osserva per le molecole d'acqua:

È il legame idrogeno che spiega l’anomalia Calore acqua di fusione. Oltre all'acqua, anche durevole legami di idrogeno si formano in sostanze come acido fluoridrico, ammoniaca, acidi contenenti ossigeno, fenoli, alcoli, ammine.

Quando due atomi dello stesso elemento non metallico interagiscono, tra loro si forma un legame chimico covalente utilizzando coppie di elettroni condivise. Questo legame covalente è chiamato non polare perché le coppie di elettroni condivise sono condivise da entrambi gli atomi equamente e nessuno dei due avrà un eccesso o una carenza della carica negativa trasportata dagli elettroni.

Tuttavia, se si forma un legame covalente tra atomi di diversi elementi non metallici, il quadro sarà leggermente diverso. Consideriamo, ad esempio, la formazione della molecola di acido cloridrico HC1 da atomi di idrogeno e cloro.

1. L'atomo di idrogeno ha un elettrone nel suo unico livello e gli manca un altro elettrone prima del suo completamento. L'atomo di cloro ha sette elettroni nel suo guscio esterno e manca anche un elettrone al completamento.

2. Gli atomi di idrogeno e cloro combinano i loro elettroni spaiati e formano una coppia di elettroni comune, cioè si verifica un legame covalente:

Formula strutturale della molecola di acido cloridrico H-C1.

3. Poiché tra atomi di diversi elementi non metallici si forma un legame covalente, la coppia di elettroni comune non apparterrà più allo stesso modo agli atomi interagenti. Per determinare qualitativamente a quale di questi atomi apparterrà in misura maggiore la coppia di elettroni condivisi, viene utilizzato il concetto di elettronegatività.

L'EO può essere caratterizzato come una misura della non-metallicità degli elementi chimici. In ordine decrescente di EO elementi chimici sono disposti nella seguente riga:

L'elemento più elettronegativo nella tabella di Mendeleev è il fluoro. Questo è, per così dire, la “medaglia d'oro” dell'elettronegatività. " Medaglia d'argento"è ossigeno e "bronzo" è azoto.

Il valore dell'EO di un elemento dipende dalla sua posizione nella tabella di Mendeleev: in ogni periodo solitamente aumenta all'aumentare numero di serie elemento e in ciascun sottogruppo diminuisce.

Utilizzando un numero di EO, è possibile determinare dove sono spostate le coppie di elettroni comuni. Sono sempre spostati verso gli atomi dell'elemento con maggiore EO. Ad esempio, nella molecola di acido cloridrico HC1, la coppia elettronica comune viene spostata sull'atomo di cloro, poiché il suo EO è maggiore di quello dell'idrogeno. Di conseguenza, sugli atomi si formano cariche parziali , nella molecola compaiono due poli: positivo e negativo. Pertanto, un tale legame covalente è chiamato polare.

Lo spostamento delle coppie di elettroni condivise nel caso di un legame covalente polare è talvolta indicato dalle frecce e la carica parziale è Lettera grecaδ (“delta”): .

Nelle formule dei composti si scrive per primo il segno chimico dell'elemento meno elettronegativo. Poiché un legame polare covalente è un tipo di legame covalente, l'algoritmo di ragionamento per la sua rappresentazione schematica è lo stesso di un legame covalente non polare (vedi § 11), solo che in questo caso verrà aggiunto un ulteriore passaggio - il quarto: da a serie di EO determineremo l'elemento più elettronegativo e rifletteremo la polarità del legame nella formula strutturale con una freccia e la designazione delle cariche parziali.

Ad esempio, considera un algoritmo per una rappresentazione schematica della formazione di legami per il composto OF 2 - fluoruro di ossigeno.

1. L'ossigeno è un elemento del sottogruppo principale del gruppo VI (gruppo VIA) della tavola periodica di D.I. I suoi atomi hanno sei elettroni nel loro strato elettronico esterno. Ci saranno elettroni spaiati: 8-6 = 2.

Il fluoro è un elemento del sottogruppo principale del gruppo VII (gruppo VIIA) della tavola periodica di D. I. Mendeleev. I suoi atomi contengono sette elettroni nel loro strato elettronico esterno. Un elettrone è spaiato.

2. Annotiamo i segni degli elementi chimici con la designazione degli elettroni esterni:

3. Scriviamo le formule elettroniche e strutturali delle molecole risultanti:

4. Sulla base di una serie di OE, determiniamo che le coppie di elettroni comuni verranno spostate dall'ossigeno al fluoro, come ad un elemento più elettronegativo, cioè il legame sarà covalente polare: .

Le molecole d'acqua si formano in modo simile:

In realtà la molecola d'acqua non ha una forma lineare, ma angolare (∠HOH = 104°27"). La struttura della molecola d'acqua può essere rappresentata diversi modi(Fig. 40).

Riso. 40.
Vari modelli molecole d'acqua

Un atomo di idrogeno forma un solo legame covalente con gli altri atomi. Pertanto, dicono che l'idrogeno è monovalente. L'atomo di ossigeno è collegato ad altri atomi da due legami chimici: è bivalente. Quando si formano le molecole, gli atomi vengono combinati in modo tale da utilizzare tutte le loro valenze. È chiaro che l'ossigeno bivalente deve combinarsi con due atomi di idrogeno monovalenti. Se denotiamo la valenza con un trattino, lo schema di formazione di una molecola d'acqua può essere rappresentato come segue:

Allo stesso modo, l'azoto trivalente si combina con tre atomi di idrogeno monovalente per formare una molecola di ammoniaca

Le formule in cui le valenze degli elementi sono indicate da trattini, come sapete, sono chiamate strutturali.

La formula strutturale del metano CH 4 - un composto di carbonio tetravalente con idrogeno - sarà la seguente:

Come si combinano in una molecola? diossido di carbonio Atomi di C0 2 di carbonio tetravalente e ossigeno bivalente? Ovviamente, questo metodo può essere riflesso solo dalla seguente formula strutturale:

La valenza è un valore costante? Si scopre che questa affermazione è vera per l'idrogeno e l'ossigeno, ma non per l'azoto e il carbonio, poiché questi elementi possono mostrare altri valori di valenza. Ad esempio, l'azoto può essere mono-, di-, tri- o tetravalente. I suoi composti con l'ossigeno avranno composizioni diverse. Pertanto si distingue tra:

• elementi con valenza costante(ad esempio monovalente: H, F; bivalente: O, Be; trivalente: B, A1);
• elementi con valenza variabile (ad esempio, S presenta valenze II, IV, VI; C1 - valenze I, III, V e VII).

Impariamo come derivare formule per composti a due elementi basati sulla valenza.

Per ricavare la formula del composto del fosforo con l'ossigeno, in cui il fosforo è pentavalente, la procedura è la seguente:

Allo stesso modo, ricaviamo la formula per il composto dell'azoto con l'ossigeno, in cui l'azoto è tetravalente.

L'indice 1 non è scritto in formule.

Conoscere la valenza degli elementi chimici è necessario per scrivere correttamente la formula di una sostanza. Ma è vero anche il contrario: utilizzando la formula di una sostanza è possibile determinare la valenza di uno degli elementi se si conosce la valenza dell'altro. Ad esempio, determiniamo la valenza dello zolfo in un composto la cui formula è SO 3:

Esperimento di laboratorio n. 4
Realizzazione di modelli di molecole di composti binari

Utilizzando i kit ball-and-stick, assembla modelli delle molecole delle seguenti sostanze:

• opzione 1 - acido cloridrico HC1, tetracloruro di carbonio CC14;
• opzione 2 - anidride solforosa SO 2, cloruro di alluminio AlCl 3.

Parole e frasi chiave

1. Legami chimici covalenti non polari e covalenti polari.
2. Elettronegatività.
3. Addebito parziale.
4. Valenza.
5. Elaborazione di formule di composti covalenti per valenza.
6. Determinazione della valenza mediante formule.

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Domande e compiti

1. Gli atomi di idrogeno e fosforo hanno quasi gli stessi valori di EO. Qual è il tipo di legame chimico nella molecola di fosfina PH 3?
2. Determinare il tipo di legame chimico e annotare lo schema della sua formazione per le sostanze con le formule: a) S 2, K 2 O e H 2 S; b) N2, Li3N e C13N.
3. In quale delle molecole - acido cloridrico HC1 o acido fluoridrico HF - il legame chimico covalente è più polare?
4. Nelle frasi seguenti, completa le parole e le espressioni mancanti: “Un legame chimico covalente si forma a causa di.... In base al numero di coppie di elettroni condivise, è.... Secondo EO, un legame covalente è diviso in... e...”.
5. Determinare le valenze degli elementi nei composti con le formule: PbS, PbO 2, FeS 2, Fe 2 S 3, SF 6.
6. Annota le formule dei cloruri - composti di elementi con cloro monovalente: ferro (III), rame (I), rame (II), manganese (IV), fosforo (V).

Riso. 2.1. La formazione di molecole dagli atomi è accompagnata da ridistribuzione degli elettroni negli orbitali di valenza e porta a guadagno di energia, poiché l'energia delle molecole risulta essere inferiore all'energia degli atomi non interagenti. La figura mostra un diagramma della formazione di un legame chimico covalente non polare tra atomi di idrogeno.

§2 Legame chimico

In condizioni normali, lo stato molecolare è più stabile dello stato atomico (Fig. 2.1). La formazione di molecole dagli atomi è accompagnata da una ridistribuzione degli elettroni negli orbitali di valenza e porta ad un guadagno di energia, poiché l'energia delle molecole è inferiore all'energia degli atomi non interagenti(Appendice 3). Le forze che trattengono gli atomi nelle molecole sono chiamate collettivamente legame chimico.

Il legame chimico tra gli atomi è effettuato dagli elettroni di valenza ed è di natura elettrica . Esistono quattro tipi principali di legami chimici: covalente,ionico,metallo E idrogeno.

1 Legame covalente

Un legame chimico effettuato da coppie di elettroni è chiamato atomico o covalente . I composti con legami covalenti sono detti atomici o covalenti .

Quando si verifica un legame covalente, si verifica una sovrapposizione di nubi elettroniche di atomi interagenti, accompagnata dal rilascio di energia (Fig. 2.1). In questo caso, tra i nuclei atomici caricati positivamente appare una nuvola con una maggiore densità di carica negativa. A causa dell'azione delle forze di attrazione di Coulomb tra cariche diverse, un aumento della densità della carica negativa favorisce l'avvicinamento dei nuclei.

Un legame covalente è formato da elettroni spaiati negli strati esterni degli atomi . In questo caso si formano elettroni con spin opposti coppia di elettroni(Fig. 2.2), comune agli atomi interagenti. Se tra gli atomi si è formato un legame covalente (una coppia di elettroni comune), allora viene chiamato singolo, doppio, doppio, ecc.

L’energia è una misura della forza di un legame chimico. E sv speso per rompere il legame (guadagno di energia quando si forma un composto da singoli atomi). Questa energia viene solitamente misurata per 1 mole. sostanze e sono espressi in kilojoule per mole (kJ∙mol –1). L’energia di un singolo legame covalente è compresa tra 200 e 2000 kJmol –1.

Riso. 2.2. Il legame covalente è il tipo più comune di legame chimico che nasce dalla condivisione di una coppia di elettroni attraverso un meccanismo di scambio (UN), quando ciascuno degli atomi interagenti fornisce un elettrone, o attraverso un meccanismo donatore-accettore (B) quando una coppia di elettroni è condivisa da un atomo (donatore) a un altro atomo (accettore).

Un legame covalente ha le proprietà saturazione e messa a fuoco . La saturazione di un legame covalente è intesa come la capacità degli atomi di formare un numero limitato di legami con i loro vicini, determinato dal numero dei loro elettroni di valenza spaiati. La direzionalità di un legame covalente riflette il fatto che le forze che tengono gli atomi vicini gli uni agli altri sono dirette lungo la linea retta che collega i nuclei atomici. Oltretutto, il legame covalente può essere polare o non polare .

Quando non polare In un legame covalente, la nuvola elettronica formata da una coppia comune di elettroni è distribuita nello spazio simmetricamente rispetto ai nuclei di entrambi gli atomi. Tra gli atomi si forma un legame covalente non polare sostanze semplici, ad esempio, tra atomi di gas identici che formano molecole biatomiche (O 2, H 2, N 2, Cl 2, ecc.).

Quando polare In un legame covalente, la nuvola elettronica del legame viene spostata verso uno degli atomi. La formazione di legami covalenti polari tra gli atomi è caratteristica delle sostanze complesse. Un esempio potrebbero essere le molecole volatili composti organici: HCl, H 2 O, NH 3, ecc.

Il grado di spostamento della nuvola elettronica totale verso uno degli atomi durante la formazione di un legame covalente (grado di polarità del legame ) determinato principalmente dalla carica dei nuclei atomici e dal raggio degli atomi interagenti .

Quanto maggiore è la carica di un nucleo atomico, tanto più fortemente attrae una nuvola di elettroni. Allo stesso tempo, quanto maggiore è il raggio dell'atomo, tanto più deboli sono gli elettroni esterni trattenuti vicino al nucleo atomico. L’effetto combinato di questi due fattori si esprime nella diversa capacità dei diversi atomi di “tirare” verso di sé la nuvola di legami covalenti.

La capacità di un atomo di una molecola di attrarre a sé gli elettroni è chiamata elettronegatività. . Pertanto, l'elettronegatività caratterizza la capacità di un atomo di polarizzare un legame covalente: quanto maggiore è l'elettronegatività di un atomo, tanto più fortemente viene spostata verso di esso la nuvola elettronica del legame covalente .

Sono stati proposti numerosi metodi per quantificare l'elettronegatività. In questo caso, il significato fisico più chiaro ha il metodo proposto dal chimico americano Robert S. Mulliken, che determinò l'elettronegatività  di un atomo pari alla metà della somma della sua energia E e Affinità elettronica ed energia E io ionizzazione dell'atomo:

. (2.1)

Energia ionizzata di un atomo è l’energia che deve essere spesa per “strappargli” un elettrone e trasportarlo ad una distanza infinita. L'energia di ionizzazione è determinata dalla fotoionizzazione degli atomi o dal bombardamento degli atomi con elettroni accelerati in un campo elettrico. Il valore più piccolo dell'energia del fotone o dell'elettrone che diventa sufficiente per ionizzare gli atomi è chiamato energia di ionizzazione E io. Questa energia è solitamente espressa in elettronvolt (eV): 1 eV = 1,610 –19 J.

Gli atomi sono più disposti a cedere gli elettroni esterni metalli, che contengono un piccolo numero di elettroni spaiati (1, 2 o 3) sul guscio esterno. Questi atomi hanno l'energia di ionizzazione più bassa. Pertanto, l’entità dell’energia di ionizzazione può servire come misura della maggiore o minore “metallicità” di un elemento: minore è l’energia di ionizzazione, più pronunciata è la sua energia di ionizzazione. metalloproprietà elemento.

Nello stesso sottogruppo del sistema periodico di elementi di D.I. Mendeleev, con un aumento del numero atomico di un elemento, la sua energia di ionizzazione diminuisce (Tabella 2.1), che è associata ad un aumento del raggio atomico (Tabella 1.2), e , di conseguenza, con un indebolimento del legame degli elettroni esterni con un nucleo. Per elementi dello stesso periodo, l'energia di ionizzazione aumenta all'aumentare del numero atomico. Ciò è dovuto alla diminuzione del raggio atomico e all’aumento della carica nucleare.

Energia E e, che viene rilasciato quando un elettrone viene aggiunto a un atomo libero, viene chiamato affinità elettronica(espresso anche in eV). Il rilascio (piuttosto che l'assorbimento) di energia quando un elettrone carico si attacca ad alcuni atomi neutri è spiegato dal fatto che gli atomi più stabili in natura sono quelli con gusci esterni pieni. Pertanto, per quegli atomi i cui gusci sono “un po’ vuoti” (cioè mancano 1, 2 o 3 elettroni prima di riempirsi), è energeticamente favorevole attaccare gli elettroni a se stessi, trasformandosi in ioni caricati negativamente 1. Tali atomi includono, ad esempio, atomi di alogeno (Tabella 2.1) - elementi del settimo gruppo (sottogruppo principale) del sistema periodico di D.I. L'affinità elettronica degli atomi metallici è solitamente zero o negativa, cioè È energeticamente sfavorevole per loro attaccare elettroni aggiuntivi: è necessaria ulteriore energia per mantenerli all'interno degli atomi. L'affinità elettronica degli atomi non metallici è sempre positiva e tanto maggiore quanto più vicino al gas nobile (inerte) si trova il non metallo tavola periodica. Ciò indica un aumento proprietà non metalliche mentre ci avviciniamo alla fine del periodo.

Da tutto quanto detto risulta chiaro che l'elettronegatività (2.1) degli atomi aumenta nella direzione da sinistra a destra per gli elementi di ciascun periodo e diminuisce nella direzione dall'alto verso il basso per gli elementi dello stesso gruppo del periodico di Mendeleev sistema. Non è difficile, tuttavia, comprendere che per caratterizzare il grado di polarità di un legame covalente tra atomi, non è importante il valore assoluto dell'elettronegatività, ma il rapporto tra le elettronegatività degli atomi che formano il legame. Ecco perché in pratica utilizzano valori di elettronegatività relativa(Tabella 2.1), prendendo l'elettronegatività del litio come unità.

Per caratterizzare la polarità di un legame chimico covalente, viene utilizzata la differenza nell'elettronegatività relativa degli atomi. Tipicamente, il legame tra gli atomi A e B è considerato puramente covalente se |  UN – B|0,5.

L'idea di formare un legame chimico utilizzando una coppia di elettroni appartenenti a entrambi gli atomi collegati fu espressa nel 1916 dal chimico fisico americano J. Lewis.

Esistono legami covalenti tra gli atomi sia nelle molecole che nei cristalli. Si verifica sia tra atomi identici (ad esempio, nelle molecole di H2, Cl2, O2, in un cristallo di diamante) sia tra atomi diversi (ad esempio, nelle molecole di H2O e NH3, nei cristalli di SiC). Quasi tutti i legami nelle molecole dei composti organici sono covalenti (C-C, C-H, C-N, ecc.).

Esistono due meccanismi per la formazione dei legami covalenti:

1) scambio;

2) donatore-accettore.

Meccanismo di scambio nella formazione del legame covalentesta nel fatto che ciascuno degli atomi collegati fornisce un elettrone spaiato per la formazione di una coppia di elettroni comune (legame). Gli elettroni degli atomi interagenti devono avere spin opposti.

Consideriamo, ad esempio, la formazione di un legame covalente in una molecola di idrogeno. Quando gli atomi di idrogeno si avvicinano, le loro nubi elettroniche compenetrano l'una nell'altra, fenomeno chiamato sovrapposizione delle nubi elettroniche (Fig. 3.2), la densità elettronica tra i nuclei aumenta. I nuclei si attraggono. Di conseguenza, l’energia del sistema diminuisce. Quando gli atomi si avvicinano molto, la repulsione dei nuclei aumenta. Pertanto esiste una distanza ottimale tra i nuclei (lunghezza del legame l), alla quale il sistema ha un'energia minima. In questo stato viene rilasciata energia, chiamata energia di legame E St.

Riso. 3.2. Diagramma della sovrapposizione della nuvola di elettroni durante la formazione di una molecola di idrogeno

La formazione di una molecola di idrogeno dagli atomi può essere rappresentata schematicamente come segue (un punto significa un elettrone, una linea significa una coppia di elettroni):

N + N→N: N oppure N + N→N - N.

IN vista generale per le molecole AB di altre sostanze:

A + B = A: B.

Meccanismo donatore-accettore di formazione del legame covalentesta nel fatto che una particella - il donatore - rappresenta una coppia di elettroni per formare un legame, e la seconda - l'accettore - rappresenta un orbitale libero:

A: + B = A: B.

donatore accettore

Consideriamo i meccanismi di formazione dei legami chimici nella molecola di ammoniaca e nello ione ammonio.

1. Istruzione

L'atomo di azoto ha due elettroni accoppiati e tre spaiati al suo livello energetico esterno:

L'atomo di idrogeno nel sottolivello s ha un elettrone spaiato.

Nella molecola di ammoniaca, gli elettroni 2p spaiati dell'atomo di azoto formano tre coppie di elettroni con gli elettroni di 3 atomi di idrogeno:

.

Nella molecola NH 3 si formano 3 legami covalenti secondo il meccanismo di scambio.

2. Formazione di uno ione complesso - ione ammonio.

NH 3 + HCl = NH 4 Cl o NH 3 + H + = NH 4 +

L'atomo di azoto rimane con una coppia solitaria di elettroni, cioè due elettroni con spin antiparalleli in un orbitale atomico. L'orbitale atomico dello ione idrogeno non contiene elettroni (orbitale vuoto). Quando una molecola di ammoniaca e uno ione idrogeno si avvicinano, si verifica un'interazione tra la coppia solitaria di elettroni dell'atomo di azoto e l'orbitale vuoto dello ione idrogeno. La coppia solitaria di elettroni diventa comune agli atomi di azoto e idrogeno e si verifica un legame chimico secondo il meccanismo donatore-accettore. L'atomo di azoto della molecola di ammoniaca è il donatore e lo ione idrogeno è l'accettore:

.

È da notare che nello ione NH 4+ tutti e quattro i legami sono equivalenti e indistinguibili quindi nello ione la carica è delocalizzato (dispersa) in tutto il complesso;

Gli esempi considerati mostrano che la capacità di un atomo di formare legami covalenti è determinata non solo da un elettrone, ma anche da nuvole di 2 elettroni o dalla presenza di orbitali liberi.

Secondo il meccanismo donatore-accettore, i legami si formano in composti complessi: - ; 2+; 2- ecc.

Un legame covalente ha le seguenti proprietà:

- saturazione;

- direzionalità;

- polarità e polarizzabilità.

I dati sull'energia di ionizzazione (IE), sulla PEI e sulla composizione delle molecole stabili - i loro valori effettivi e i confronti - sia degli atomi liberi che degli atomi legati alle molecole, ci consentono di comprendere come gli atomi formano le molecole attraverso il meccanismo del legame covalente.

LEGAME COVALENTE- (dal latino “co” insieme e “vales” avendo forza) (legame omeopolare), legame chimico tra due atomi che si forma quando gli elettroni appartenenti a questi atomi vengono condivisi. Gli atomi nelle molecole dei gas semplici sono collegati da legami covalenti. Un legame in cui è presente una coppia di elettroni condivisa è chiamato legame singolo; Esistono anche legami doppi e tripli.

Diamo un'occhiata ad alcuni esempi per vedere come possiamo usare le nostre regole per determinare il numero di legami chimici covalenti che un atomo può formare se conosciamo il numero di elettroni nel guscio esterno di un dato atomo e la carica sul suo nucleo. La carica del nucleo e il numero di elettroni nel guscio esterno sono determinati sperimentalmente e sono inclusi nella tabella degli elementi.

Calcolo del numero possibile di legami covalenti

Ad esempio, contiamo il numero di legami covalenti che possono formare sodio ( N / a), alluminio (Al), fosforo (P), e cloro ( Cl). Sodio ( N / a) e alluminio ( Al) hanno rispettivamente 1 e 3 elettroni nel guscio esterno e, secondo la prima regola (per il meccanismo di formazione del legame covalente, viene utilizzato un elettrone nel guscio esterno), possono formare: sodio (N / a)- 1 e alluminio ( Al)- 3 legami covalenti. Dopo la formazione del legame, il numero di elettroni nei gusci esterni del sodio ( N / a) e alluminio ( Al) pari rispettivamente a 2 e 6; cioè, meno quantità massima(8) per questi atomi. Fosforo ( P) e cloro ( Cl) hanno rispettivamente 5 e 7 elettroni sul guscio esterno e, secondo la seconda delle leggi sopra menzionate, potrebbero formare 5 e 7 legami covalenti. Secondo la quarta legge, la formazione di un legame covalente, il numero di elettroni sul guscio esterno di questi atomi aumenta di 1. Secondo la sesta legge, quando si forma un legame covalente, il numero di elettroni sul guscio esterno degli atomi legati non può essere superiore a 8. Cioè, fosforo ( P) può formare solo 3 legami (8-5 = 3), mentre il cloro ( Cl) può formarne solo uno (8-7 = 1).

Esempio: Sulla base dell'analisi, abbiamo scoperto che una certa sostanza è costituita da atomi di sodio (N / a) e cloro ( Cl). Conoscendo le regolarità del meccanismo di formazione dei legami covalenti, possiamo dire che il sodio ( N / a) può formare solo 1 legame covalente. Pertanto, possiamo supporre che ciascun atomo di sodio ( N / a) legato all'atomo di cloro ( Cl) attraverso un legame covalente in questa sostanza e che questa sostanza è composta da molecole di un atomo NaCl. La formula strutturale di questa molecola: Na-Cl. Qui il trattino (-) indica un legame covalente. La formula elettronica di questa molecola può essere mostrata come segue:
. .
Na:Cl:
. .
Secondo la formula elettronica, sul guscio esterno dell'atomo di sodio ( N / a) V NaCl ci sono 2 elettroni e sul guscio esterno dell'atomo di cloro ( Cl) ci sono 8 elettroni. In questa formula, gli elettroni (punti) tra gli atomi di sodio ( N / a) E cloro (CI) legano elettroni. Dal momento che il PEI del cloro ( Cl)è pari a 13 eV, e per il sodio (N / a)è pari a 5,14 eV, la coppia di elettroni di legame è molto più vicina all'atomo Cl che ad un atomo N / a. Se le energie di ionizzazione degli atomi che formano la molecola sono molto diverse, lo sarà anche il legame che si forma polare legame covalente.

Consideriamo un altro caso. Sulla base dell'analisi, abbiamo scoperto che una certa sostanza è costituita da atomi di alluminio ( Al) e atomi di cloro ( Cl). In alluminio ( Al) ci sono 3 elettroni nel guscio esterno; quindi, può formare 3 legami chimici covalenti mentre cloro (CI), come nel caso precedente, può formare solo 1 legame. Questa sostanza è presentata come AlCl3, e la sua formula elettronica può essere illustrata come segue:

Figura 3.1. Formula elettronicaAlCl 3

la cui formula di struttura è:
Cl-Al-Cl
Cl

Questo formula elettronica mostra che AlCl3 sul guscio esterno degli atomi di cloro ( Cl) ci sono 8 elettroni, mentre il guscio esterno dell'atomo di alluminio ( Al) ce ne sono 6. Secondo il meccanismo di formazione di un legame covalente, entrambi gli elettroni di legame (uno per ciascun atomo) vanno ai gusci esterni degli atomi legati.

Legami covalenti multipli

Gli atomi che hanno più di un elettrone nel loro guscio esterno possono formare non uno, ma diversi legami covalenti tra loro. Tali connessioni sono chiamate multiple (più spesso multipli) connessioni. Esempi di tali legami sono i legami delle molecole di azoto ( N= N) e ossigeno ( O=O).

Viene chiamato il legame che si forma quando i singoli atomi si uniscono legame covalente omoatomico, e Se gli atomi sono diversi, viene chiamato il legame legame covalente eteroatomico[I prefissi greci “homo” ed “etero” significano rispettivamente uguale e diverso].

Immaginiamo come appare effettivamente una molecola con atomi accoppiati. La molecola più semplice con atomi accoppiati è la molecola di idrogeno.