Legame chimico: definizione, tipologie, classificazione e caratteristiche della definizione. Legame chimico: definizione, tipologie, proprietà

Caratteristiche dei legami chimici

La dottrina del legame chimico costituisce la base di tutta la chimica teorica. Un legame chimico è inteso come l'interazione degli atomi che li lega in molecole, ioni, radicali e cristalli. Esistono quattro tipi di legami chimici: ionico, covalente, metallico e idrogeno. Nelle stesse sostanze si possono trovare diversi tipi di legami.

1. Nelle basi: tra gli atomi di ossigeno e idrogeno nei gruppi idrossi il legame è covalente polare, e tra il metallo e il gruppo idrossi è ionico.

2. Nei sali di acidi contenenti ossigeno: tra l'atomo non metallico e l'ossigeno del residuo acido - covalente polare, e tra il metallo e il residuo acido - ionico.

3. Nei sali di ammonio, metilammonio, ecc., tra gli atomi di azoto e idrogeno c'è un covalente polare, e tra gli ioni ammonio o metilammonio e il residuo acido - ionico.

4. Nei perossidi metallici (ad esempio Na 2 O 2), il legame tra gli atomi di ossigeno è covalente, non polare e tra il metallo e l'ossigeno è ionico, ecc.

La ragione dell'unità di tutti i tipi e tipi di legami chimici è la loro identica natura chimica: l'interazione elettrone-nucleare. La formazione di un legame chimico in ogni caso è il risultato dell'interazione elettrone-nucleare degli atomi, accompagnata dal rilascio di energia.

Metodi per formare un legame covalente

Legame chimico covalenteè un legame che nasce tra gli atomi a causa della formazione di coppie di elettroni condivisi.

I composti covalenti sono solitamente gas, liquidi o solidi con punto di fusione relativamente basso. Una delle rare eccezioni è il diamante, che fonde a una temperatura superiore a 3.500 °C. Ciò è spiegato dalla struttura del diamante, che è un reticolo continuo di atomi di carbonio legati covalentemente e non un insieme di singole molecole. In effetti, qualsiasi cristallo di diamante, indipendentemente dalle sue dimensioni, è un'enorme molecola.

Un legame covalente si verifica quando gli elettroni di due atomi non metallici si combinano. La struttura risultante è chiamata molecola.

Il meccanismo di formazione di tale legame può essere di scambio o donatore-accettore.

Nella maggior parte dei casi, due atomi legati covalentemente hanno elettronegatività diversa e gli elettroni condivisi non appartengono equamente ai due atomi. Nella maggior parte dei casi sono più vicini a un atomo che a un altro. In una molecola di acido cloridrico, ad esempio, gli elettroni che formano un legame covalente si trovano più vicini all'atomo di cloro perché la sua elettronegatività è superiore a quella dell'idrogeno. Tuttavia, la differenza nella capacità di attrarre gli elettroni non è abbastanza grande da consentire il trasferimento completo degli elettroni dall'atomo di idrogeno all'atomo di cloro. Pertanto, il legame tra gli atomi di idrogeno e di cloro può essere considerato come un incrocio tra un legame ionico (trasferimento completo di elettroni) e un legame covalente non polare (una disposizione simmetrica di una coppia di elettroni tra due atomi). Viene indicata la carica parziale sugli atomi Lettera grecaδ. Un tale legame è chiamato legame covalente polare e la molecola di acido cloridrico è detta polare, cioè ha un'estremità caricata positivamente (atomo di idrogeno) e un'estremità caricata negativamente (atomo di cloro).

1. Il meccanismo di scambio funziona quando gli atomi formano coppie di elettroni condivisi combinando elettroni spaiati.

1) H 2 - idrogeno.

Il legame si verifica a causa della formazione di una coppia di elettroni comune da parte degli elettroni s degli atomi di idrogeno (orbitali s sovrapposti).

2) HCl - acido cloridrico.

Il legame si verifica a causa della formazione di una coppia elettronica comune di elettroni s e p (orbitali s-p sovrapposti).

3) Cl 2: In una molecola di cloro legame covalente si forma a causa di elettroni p spaiati (orbitali pp sovrapposti).

4) N ​​​​2: Nella molecola di azoto si formano tre coppie di elettroni comuni tra gli atomi.

Meccanismo donatore-accettore di formazione del legame covalente

Donatore ha una coppia di elettroni accettore- orbitale libero che questa coppia può occupare. Nello ione ammonio, tutti e quattro i legami con gli atomi di idrogeno sono covalenti: tre si sono formati a causa della creazione di coppie di elettroni comuni da parte dell'atomo di azoto e degli atomi di idrogeno secondo il meccanismo di scambio, uno attraverso il meccanismo donatore-accettore. I legami covalenti sono classificati in base al modo in cui gli orbitali elettronici si sovrappongono e in base al loro spostamento verso uno degli atomi legati. Vengono chiamati legami chimici formati come risultato della sovrapposizione degli orbitali elettronici lungo una linea di legame σ - connessioni(legami sigma). Il legame sigma è molto forte.

Gli orbitali p possono sovrapporsi in due regioni, formando un legame covalente attraverso la sovrapposizione laterale.

I legami chimici formati come risultato della sovrapposizione “laterale” degli orbitali elettronici al di fuori della linea di legame, cioè in due regioni, sono chiamati legami pi.

A seconda del grado di spostamento delle coppie di elettroni comuni rispetto a uno degli atomi che collegano, un legame covalente può essere polare o non polare. Un legame chimico covalente che si forma tra atomi con la stessa elettronegatività è detto non polare. Le coppie di elettroni non vengono spostate verso nessuno degli atomi, poiché gli atomi hanno la stessa elettronegatività, la proprietà di attrarre elettroni di valenza da altri atomi. Per esempio,

cioè, le molecole si formano attraverso un legame covalente non polare sostanze semplici-non metalli. Un legame chimico covalente tra atomi di elementi la cui elettronegatività diversa è chiamato polare.

Ad esempio, NH 3 è ammoniaca. L'azoto è un elemento più elettronegativo dell'idrogeno, quindi le coppie di elettroni condivisi vengono spostate verso il suo atomo.

Caratteristiche di un legame covalente: lunghezza ed energia del legame

Le proprietà caratteristiche di un legame covalente sono la sua lunghezza e la sua energia. La lunghezza del legame è la distanza tra i nuclei atomici. Quanto più breve è la lunghezza di un legame chimico, tanto più forte è. Tuttavia, una misura della forza del legame è l’energia del legame, che è determinata dalla quantità di energia richiesta per rompere il legame. Di solito viene misurato in kJ/mol. Pertanto, secondo i dati sperimentali, le lunghezze di legame delle molecole di H 2, Cl 2 e N 2 sono rispettivamente 0,074, 0,198 e 0,109 nm, e le energie di legame rispettivamente sono 436, 242 e 946 kJ/mol.

Ioni. Legame ionico

Ci sono due possibilità principali affinché un atomo obbedisca alla regola dell'ottetto. Il primo di questi è la formazione di legami ionici. (Il secondo è la formazione di un legame covalente, di cui parleremo più avanti). Quando si forma un legame ionico, un atomo metallico perde elettroni e un atomo non metallico acquista elettroni.

Immaginiamo che due atomi “si incontrino”: un atomo di un metallo del gruppo I e un atomo non metallico del gruppo VII. Un atomo di metallo ha un singolo elettrone al suo livello energetico esterno, mentre a un atomo non metallico manca solo un elettrone affinché il suo livello esterno sia completo. Il primo atomo darà facilmente al secondo il suo elettrone, che è lontano dal nucleo e ad esso debolmente associato, e il secondo gli darà posto libero al suo livello elettronico esterno. Quindi l'atomo, privato di una delle sue cariche negative, diventerà una particella carica positivamente, e la seconda si trasformerà in una particella carica negativamente a causa dell'elettrone risultante. Tali particelle sono chiamate ioni.

Questo è un legame chimico che si verifica tra gli ioni. I numeri che mostrano il numero di atomi o molecole sono chiamati coefficienti, mentre i numeri che mostrano il numero di atomi o ioni in una molecola sono chiamati indici.

Collegamento in metallo

I metalli hanno proprietà specifiche, diverso dalle proprietà di altre sostanze. Queste proprietà sono relativamente alte temperature fusione, capacità di riflettere la luce, elevata conduttività termica ed elettrica. Queste caratteristiche sono dovute all'esistenza nei metalli tipo speciale connessione - connessione metallica.

Il legame metallico è un legame tra ioni positivi nei cristalli metallici, effettuato a causa dell'attrazione degli elettroni che si muovono liberamente attraverso il cristallo. Gli atomi della maggior parte dei metalli al livello esterno contengono un piccolo numero di elettroni: 1, 2, 3. Questi elettroni venire via facilmente e gli atomi si trasformano in ioni positivi. Gli elettroni distaccati si spostano da uno ione all'altro, legandoli in un unico insieme. Collegandosi con gli ioni, questi elettroni formano temporaneamente atomi, quindi si rompono di nuovo e si combinano con un altro ione, ecc. Si verifica un processo infinito, che può essere rappresentato schematicamente come segue:

Di conseguenza, nel volume del metallo, gli atomi vengono continuamente convertiti in ioni e viceversa. Il legame nei metalli tra ioni attraverso gli elettroni condivisi è chiamato metallico. Il legame metallico presenta alcune somiglianze con il legame covalente, poiché si basa sulla condivisione di elettroni esterni. Tuttavia, con un legame covalente, vengono condivisi gli elettroni spaiati esterni solo di due atomi vicini, mentre con un legame metallico tutti gli atomi prendono parte alla condivisione di questi elettroni. Questo è il motivo per cui i cristalli con un legame covalente sono fragili, ma con un legame metallico, di regola, sono duttili, elettricamente conduttivi e hanno una lucentezza metallica.

Il legame metallico è caratteristico sia dei metalli puri che delle miscele di vari metalli - leghe allo stato solido e liquido. Tuttavia, allo stato di vapore, gli atomi metallici sono collegati tra loro da un legame covalente (ad esempio, il vapore di sodio riempie le lampade a luce gialla per illuminare le strade delle grandi città). Le coppie di metalli sono costituite da singole molecole (monatomiche e biatomiche).

Un legame metallico differisce anche da un legame covalente in termini di forza: la sua energia è 3-4 volte inferiore all'energia di un legame covalente.

L'energia di legame è l'energia necessaria per rompere un legame chimico in tutte le molecole che compongono una mole di una sostanza. Le energie dei legami covalenti e ionici sono generalmente elevate e dell'ordine di 100-800 kJ/mol.

Legame idrogeno

Legame chimico tra atomi di idrogeno polarizzati positivamente di una molecola(o parti di esso) e atomi polarizzati negativamente di elementi altamente elettronegativi avendo coppie di elettroni condivise (F, O, N e meno spesso S e Cl), un'altra molecola (o parti di essa) è chiamata idrogeno. Meccanismo educativo legame idrogeno ha in parte elettrostatico, in parte d carattere onoratore-accettante.

Esempi di legami idrogeno intermolecolari:

In presenza di tale connessione, anche le sostanze a basso peso molecolare possono, in condizioni normali, essere liquidi (alcol, acqua) o gas facilmente liquefatti (ammoniaca, acido fluoridrico). Nei biopolimeri - proteine ​​(struttura secondaria) - esiste un legame idrogeno intramolecolare tra l'ossigeno carbonilico e l'idrogeno del gruppo amminico:

Le molecole di polinucleotidi - DNA (acido desossiribonucleico) - sono doppie eliche in cui due catene di nucleotidi sono collegate tra loro da legami idrogeno. In questo caso opera il principio di complementarità, cioè questi legami si formano tra alcune coppie costituite da basi puriniche e pirimidiniche: di fronte al nucleotide di adenina (A) c'è la timina (T), e di fronte alla guanina (G) c'è la citosina. (C).

Le sostanze con legami idrogeno hanno reticoli cristallini molecolari.

Gli atomi della maggior parte degli elementi non esistono separatamente, poiché possono interagire tra loro. Questa interazione produce particelle più complesse.

La natura di un legame chimico è l'azione delle forze elettrostatiche, che sono le forze di interazione tra le cariche elettriche. Gli elettroni e i nuclei atomici hanno tali cariche.

Gli elettroni situati sui livelli elettronici esterni (elettroni di valenza), essendo più lontani dal nucleo, interagiscono con esso in modo più debole e quindi sono in grado di staccarsi dal nucleo. Sono responsabili del legame degli atomi tra loro.

Tipi di interazioni in chimica

I tipi di legami chimici possono essere presentati nella seguente tabella:

Caratteristiche del legame ionico

Reazione chimica che si verifica a causa di attrazione degli ioni avendo cariche diverse è detto ionico. Ciò accade se gli atomi legati hanno una differenza significativa nell'elettronegatività (cioè nella capacità di attrarre gli elettroni) e la coppia di elettroni va all'elemento più elettronegativo. Il risultato di questo trasferimento di elettroni da un atomo all'altro è la formazione di particelle cariche: gli ioni. Tra loro nasce un'attrazione.

Hanno gli indici di elettronegatività più bassi metalli tipici, e i più grandi sono tipici non metalli. Gli ioni sono quindi formati dall'interazione tra metalli tipici e tipici non metalli.

Gli atomi metallici diventano ioni (cationi) caricati positivamente, donando elettroni ai loro livelli elettronici esterni, e i non metalli accettano elettroni, trasformandosi così in caricato negativamente ioni (anioni).

Gli atomi si spostano in un ambiente più stabile stato energetico, completandone le configurazioni elettroniche.

Il legame ionico non è direzionale e non è saturabile, poiché l'interazione elettrostatica avviene in tutte le direzioni, di conseguenza lo ione può attrarre ioni segno opposto in tutte le direzioni.

La disposizione degli ioni è tale che attorno a ciascuno si trova un certo numero di ioni con carica opposta. Il concetto di "molecola" per i composti ionici non ha senso.

Esempi di educazione

La formazione di un legame nel cloruro di sodio (nacl) è dovuta al trasferimento di un elettrone dall'atomo di Na all'atomo di Cl per formare gli ioni corrispondenti:

Na 0 - 1 e = Na + (catione)

Cl 0 + 1 e = Cl - (anione)

Nel cloruro di sodio ci sono sei anioni cloro attorno ai cationi sodio e sei ioni sodio attorno a ciascuno ione cloruro.

Quando si forma l'interazione tra gli atomi nel solfuro di bario, si verificano i seguenti processi:

Ba 0 - 2 e = Ba 2+

S0+2e = S2-

Ba dona i suoi due elettroni allo zolfo, dando luogo alla formazione di anioni zolfo S 2- e cationi bario Ba 2+.

Legame chimico dei metalli

Il numero di elettroni nei livelli energetici esterni dei metalli è piccolo; essi si separano facilmente dal nucleo. Come risultato di questo distacco si formano ioni metallici ed elettroni liberi. Questi elettroni sono chiamati "gas di elettroni". Gli elettroni si muovono liberamente in tutto il volume del metallo e sono costantemente legati e separati dagli atomi.

La struttura della sostanza metallica è la seguente: il reticolo cristallino è lo scheletro della sostanza e tra i suoi nodi gli elettroni possono muoversi liberamente.

Si possono citare i seguenti esempi:

Mg-2e<->Mg2+

Cs-e<->Cs+

Ca-2e<->Ca2+

Fe-3e<->Fe3+

Covalente: polare e non polare

Il tipo più comune di interazione chimica è un legame covalente. I valori di elettronegatività degli elementi che interagiscono non differiscono nettamente, quindi si verifica solo uno spostamento della coppia di elettroni comuni verso un atomo più elettronegativo;

Le interazioni covalenti possono essere formate da un meccanismo di scambio o da un meccanismo donatore-accettore.

Il meccanismo di scambio si realizza se ciascuno degli atomi ha elettroni spaiati sui livelli elettronici esterni e la sovrapposizione degli orbitali atomici porta alla comparsa di una coppia di elettroni che già appartiene a entrambi gli atomi. Quando uno degli atomi ha una coppia di elettroni a livello elettronico esterno e l'altro ha un orbitale libero, quando gli orbitali atomici si sovrappongono, la coppia di elettroni viene condivisa e interagisce secondo il meccanismo donatore-accettore.

Quelli covalenti si dividono per molteplicità in:

• semplice o singolo;
• Doppio;
• triplica.

Quelli doppi assicurano la condivisione di due coppie di elettroni contemporaneamente e quelli tripli - tre.

Secondo la distribuzione della densità elettronica (polarità) tra gli atomi legati, un legame covalente è suddiviso in:

• non polare;
• polare.

Un legame non polare è formato da atomi identici, mentre un legame polare è formato da una diversa elettronegatività.

L'interazione di atomi con elettronegatività simile è chiamata legame non polare. La coppia di elettroni comune in tale molecola non è attratta da nessuno dei due atomi, ma appartiene equamente a entrambi.

L'interazione di elementi che differiscono per elettronegatività porta alla formazione di legami polari. In questo tipo di interazione, le coppie di elettroni condivisi sono attratte dall'elemento più elettronegativo, ma non vengono trasferite completamente ad esso (cioè non avviene la formazione di ioni). Come risultato di questo spostamento della densità elettronica, sugli atomi compaiono cariche parziali: quello più elettronegativo ha una carica negativa, mentre quello meno elettronegativo ha una carica positiva.

Proprietà e caratteristiche della covalenza

Principali caratteristiche di un legame covalente:

• La lunghezza è determinata dalla distanza tra i nuclei degli atomi interagenti.
• La polarità è determinata dallo spostamento della nuvola elettronica verso uno degli atomi.
• La direzionalità è la proprietà di formare legami orientati nello spazio e, di conseguenza, molecole aventi determinate forme geometriche.
• La saturazione è determinata dalla capacità di formare un numero limitato di legami.
• La polarizzabilità è determinata dalla capacità di cambiare polarità sotto l'influenza di un campo elettrico esterno.
• L’energia necessaria per rompere un legame ne determina la forza.

Un esempio di interazione covalente non polare possono essere le molecole di idrogeno (H2), cloro (Cl2), ossigeno (O2), azoto (N2) e molti altri.

H· + ·H → Molecola H-H ha un singolo legame non polare,

O: + :O → O=O la molecola ha una doppia molecola non polare,

Ṅ: + Ṅ: → N≡N la molecola è triplamente apolare.

Esempi di legami covalenti di elementi chimici includono molecole di anidride carbonica (CO2) e monossido di carbonio (CO), idrogeno solforato (H2S), di acido cloridrico(HCL), acqua (H2O), metano (CH4), ossido di zolfo (SO2) e molti altri.

Nella molecola di CO2, la relazione tra gli atomi di carbonio e di ossigeno è polare covalente, poiché l'idrogeno più elettronegativo attrae la densità elettronica. L'ossigeno ha due elettroni spaiati nel suo guscio esterno, mentre il carbonio può fornire quattro elettroni di valenza per formare l'interazione. Di conseguenza, si formano doppi legami e la molecola appare così: O=C=O.

Per determinare il tipo di legame in una particolare molecola, è sufficiente considerare i suoi atomi costituenti. Le sostanze metalliche semplici formano un legame metallico, i metalli con i non metalli formano un legame ionico, le sostanze semplici non metalliche formano un legame covalente non polare e le molecole costituite da diversi non metalli si formano attraverso un legame covalente polare.

Qualsiasi interazione tra gli atomi è possibile solo se esiste un legame chimico. Tale connessione è la ragione per la formazione di un sistema poliatomico stabile: uno ione molecolare, una molecola, reticolo cristallino. Un forte legame chimico richiede molta energia per rompersi, motivo per cui è la quantità base per misurare la forza del legame.

Condizioni per la formazione di un legame chimico

La formazione di un legame chimico è sempre accompagnata dal rilascio di energia. Questo processo avviene a causa di una diminuzione energia potenziale sistemi di particelle interagenti: molecole, ioni, atomi. L'energia potenziale del sistema risultante di elementi interagenti è sempre inferiore all'energia delle particelle in uscita non legate. Pertanto, la base per l'emergere di un legame chimico in un sistema è la diminuzione dell'energia potenziale dei suoi elementi.

Natura dell'interazione chimica

Un legame chimico è una conseguenza dell'interazione dei campi elettromagnetici che sorgono attorno agli elettroni e ai nuclei atomici di quelle sostanze che prendono parte alla formazione di una nuova molecola o cristallo. Dopo la scoperta della teoria della struttura atomica, la natura di questa interazione è diventata più accessibile allo studio.

Per la prima volta, l'idea della natura elettrica di un legame chimico è nata dal fisico inglese G. Davy, il quale ha suggerito che le molecole si formano a causa dell'attrazione elettrica di particelle caricate in modo opposto. Questa idea interessò il chimico e scienziato naturale svedese I.Ya. Bercellius, che sviluppò la teoria elettrochimica della formazione dei legami chimici.

La prima teoria, che spiegava i processi di interazione chimica delle sostanze, era imperfetta e col tempo dovette essere abbandonata.

La teoria di Butlerov

Un tentativo più riuscito di spiegare la natura del legame chimico delle sostanze è stato fatto dallo scienziato russo A.M. Questo scienziato ha basato la sua teoria sui seguenti presupposti:

• Gli atomi nello stato legato sono legati tra loro in un certo ordine. Un cambiamento in questo ordine provoca la formazione di una nuova sostanza.
• Gli atomi si legano tra loro secondo le leggi della valenza.
• Le proprietà di una sostanza dipendono dall'ordine di connessione degli atomi nella molecola della sostanza. Una diversa disposizione provoca un cambiamento nelle proprietà chimiche della sostanza.
• Gli atomi collegati tra loro si influenzano fortemente a vicenda.

La teoria di Butlerov spiegava le proprietà delle sostanze chimiche non solo in base alla loro composizione, ma anche in base all'ordine di disposizione degli atomi. Come ordine interno SONO. Butlerov la chiamava “struttura chimica”.

La teoria dello scienziato russo ha permesso di ristabilire l'ordine nella classificazione delle sostanze e ha fornito l'opportunità di determinare la struttura delle molecole in base alla loro proprietà chimiche. La teoria ha anche risposto alla domanda: perché le molecole contenenti lo stesso numero di atomi hanno proprietà chimiche diverse.

Prerequisiti per la creazione di teorie del legame chimico

Nella sua teoria della struttura chimica, Butlerov non ha toccato la questione di cosa sia un legame chimico. Allora c'erano troppo pochi dati per questo. struttura interna sostanze. Solo dopo la scoperta del modello planetario dell'atomo, lo scienziato americano Lewis iniziò a sviluppare l'ipotesi che un legame chimico nasca attraverso la formazione di una coppia di elettroni che appartiene contemporaneamente a due atomi. Successivamente, questa idea divenne la base per lo sviluppo della teoria dei legami covalenti.

Legame chimico covalente

Sostenibile composto chimico può formarsi quando le nubi elettroniche di due atomi vicini si sovrappongono. Il risultato di tale intersezione reciproca è una crescente densità elettronica nello spazio internucleare. I nuclei degli atomi, come sappiamo, sono carichi positivamente e quindi cercano di essere attratti il ​​più vicino possibile alla nuvola di elettroni caricata negativamente. Questa attrazione è molto più forte delle forze repulsive tra due nuclei carichi positivamente, quindi questa connessione è stabile.

I calcoli dei legami chimici furono eseguiti per la prima volta dai chimici Heitler e London. Hanno esaminato il legame tra due atomi di idrogeno. La rappresentazione visiva più semplice potrebbe assomigliare a questa:

Come puoi vedere, la coppia di elettroni occupa un posto quantico in entrambi gli atomi di idrogeno. Questa disposizione degli elettroni a due centri è chiamata “legame chimico covalente”. I legami covalenti sono tipici delle molecole di sostanze semplici e dei loro composti non metallici. Le sostanze create da legami covalenti solitamente non conducono elettricità o sono semiconduttori.

Legame ionico

Un legame chimico ionico si verifica quando due ioni con carica opposta si attraggono. Gli ioni possono essere semplici, costituiti da un atomo di una sostanza. Nei composti di questo tipo, gli ioni semplici sono spesso atomi metallici caricati positivamente dei gruppi 1 e 2 che hanno perso il loro elettrone. La formazione di ioni negativi è inerente agli atomi dei tipici non metalli e alle loro basi acide. Pertanto, tra i tipici composti ionici ci sono molti alogenuri di metalli alcalini, come CsF, NaCl e altri.

A differenza di un legame covalente, uno ione non è saturo: un numero variabile di ioni di carica opposta può unirsi a uno ione o a un gruppo di ioni. Il numero di particelle attaccate è limitato solo dalle dimensioni lineari degli ioni interagenti, così come dalla condizione in cui le forze attrattive degli ioni con carica opposta devono essere maggiori delle forze repulsive delle particelle ugualmente cariche che partecipano alla connessione tipo ionico.

Legame idrogeno

Anche prima della creazione della teoria della struttura chimica, è stato notato sperimentalmente che i composti dell'idrogeno con vari non metalli hanno proprietà alquanto insolite. Ad esempio, i punti di ebollizione dell’acido fluoridrico e dell’acqua sono molto più alti di quanto ci si potrebbe aspettare.

Queste e altre caratteristiche dei composti dell’idrogeno possono essere spiegate dalla capacità dell’atomo H+ di formare un altro legame chimico. Questo tipo di connessione è chiamata “legame idrogeno”. Le ragioni del verificarsi di un legame idrogeno risiedono nelle proprietà delle forze elettrostatiche. Ad esempio, in una molecola di acido fluoridrico, la nuvola elettronica totale è così spostata verso il fluoro che lo spazio attorno a un atomo di questa sostanza è saturo di negativi campo elettrico. Attorno ad un atomo di idrogeno, privato del suo unico elettrone, il campo è molto più debole e presenta carica positiva. Di conseguenza, sorge un'ulteriore relazione tra i campi positivi delle nuvole elettroniche H + e negativi F - .

Legame chimico dei metalli

Gli atomi di tutti i metalli si trovano nello spazio In un certo modo. La disposizione degli atomi metallici è chiamata reticolo cristallino. In questo caso, gli elettroni di atomi diversi interagiscono debolmente tra loro, formando una nuvola elettronica comune. Questo tipo di interazione tra atomi ed elettroni è chiamato “legame metallico”.

È la libera circolazione degli elettroni nei metalli che può spiegare Proprietà fisiche sostanze metalliche: conducibilità elettrica, conducibilità termica, resistenza, fusibilità e altri.

Tutti gli elementi chimici attualmente conosciuti situati nella tavola periodica sono divisi in due: grandi gruppi: metalli e non metalli. Affinché diventino non solo elementi, ma composti, sostanze chimiche, potrebbero interagire tra loro, devono esistere sotto forma di semplice e sostanze complesse.

Questo è il motivo per cui alcuni elettroni cercano di accettare, mentre altri cercano di cedere. Ricostituendosi a vicenda in questo modo, gli elementi si formano in modo diverso molecole chimiche. Ma cosa li tiene insieme? Perché esistono sostanze talmente potenti che anche gli strumenti più seri non possono essere distrutti? Altri, al contrario, vengono distrutti al minimo impatto. Tutto ciò è spiegato dalla formazione di vari tipi di legami chimici tra gli atomi nelle molecole, dalla formazione di un reticolo cristallino di una certa struttura.

Tipi di legami chimici nei composti

In totale, ci sono 4 tipi principali di legami chimici.

1. Covalente non polare. Si forma tra due non metalli identici a causa della condivisione di elettroni, della formazione di coppie di elettroni comuni. Alla sua formazione prendono parte particelle spaiate di valenza. Esempi: alogeni, ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo, fosforo.
2. Polare covalente. Si forma tra due diversi non metalli o tra un metallo con proprietà molto deboli e un non metallo con debole elettronegatività. Si basa anche su coppie di elettroni comuni e sulla loro attrazione verso se stesso da parte dell'atomo la cui affinità elettronica è maggiore. Esempi: NH 3, SiC, P 2 O 5 e altri.
3. Legame idrogeno. Il più instabile e il più debole, si forma tra un atomo altamente elettronegativo di una molecola e un atomo positivo di un'altra. Molto spesso ciò accade quando le sostanze vengono sciolte nell'acqua (alcol, ammoniaca, ecc.). Grazie a questa connessione possono esistere macromolecole proteiche, acidi nucleici, carboidrati complessi e così via.
4. Legame ionico. Si forma a causa delle forze di attrazione elettrostatica di ioni metallici e non metallici caricati diversamente. Quanto più forte è la differenza in questo indicatore, tanto più chiaramente viene espressa la natura ionica dell'interazione. Esempi di composti: sali binari, composti complessi - basi, sali.
5. Un legame metallico, il cui meccanismo di formazione e le sue proprietà verranno discussi ulteriormente. Si forma nei metalli e nelle loro leghe di varia natura.

Esiste una cosa come l'unità di un legame chimico. Dice semplicemente che è impossibile considerare ogni legame chimico come uno standard. Sono tutte semplicemente unità designate convenzionalmente. Dopotutto, tutte le interazioni si basano su un unico principio: l'interazione elettrone-statica. Pertanto, i legami ionici, metallici, covalenti e idrogeno hanno la stessa natura chimica e sono solo casi limite l'uno dell'altro.

Metalli e loro proprietà fisiche

I metalli si trovano nella stragrande maggioranza di tutti gli elementi chimici. Ciò è dovuto alle loro proprietà speciali. Una parte significativa di essi è stata ottenuta dall'uomo reazioni nucleari in condizioni di laboratorio sono radioattivi con una breve emivita.

Tuttavia, la maggior parte sono elementi naturali che formano un insieme rocce e minerali, fanno parte dei composti più importanti. È stato da loro che le persone hanno imparato a fondere le leghe e realizzare molti prodotti belli e importanti. Questi sono rame, ferro, alluminio, argento, oro, cromo, manganese, nichel, zinco, piombo e molti altri.

Per tutti i metalli si possono identificare proprietà fisiche comuni, che sono spiegate dalla formazione di un legame metallico. Quali sono queste proprietà?

1. Malleabilità e duttilità. È noto che molti metalli possono essere laminati anche allo stato di lamina (oro, alluminio). Altri producono fili, lamiere flessibili, prodotti che possono deformarsi sotto l'impatto fisico, ma che riprendono immediatamente la loro forma dopo essersi fermati. Sono queste qualità dei metalli che sono chiamate malleabilità e duttilità. Il motivo di questa caratteristica è il tipo di connessione metallica. Gli ioni e gli elettroni nel cristallo scivolano l'uno rispetto all'altro senza rompersi, il che consente di mantenere l'integrità dell'intera struttura.
2. Lucentezza metallica. Spiega anche il legame metallico, il meccanismo di formazione, le sue caratteristiche e peculiarità. Pertanto, non tutte le particelle sono in grado di assorbire o riflettere onde luminose della stessa lunghezza d'onda. Gli atomi della maggior parte dei metalli riflettono i raggi a onde corte e acquisiscono quasi lo stesso colore di argento, bianco e bluastro pallido. Le eccezioni sono il rame e l'oro, i loro colori sono rispettivamente rosso-rosso e giallo. Sono in grado di riflettere la radiazione a lunghezza d'onda maggiore.
3. Conducibilità termica ed elettrica. Queste proprietà si spiegano anche con la struttura del reticolo cristallino e con il fatto che nella sua formazione si realizza il legame di tipo metallico. A causa del “gas di elettroni” che si muove all’interno del cristallo, la corrente elettrica e il calore vengono distribuiti istantaneamente e uniformemente tra tutti gli atomi e gli ioni e vengono condotti attraverso il metallo.
4. Stato solido di aggregazione in condizioni normali. L'unica eccezione qui è il mercurio. Tutti gli altri metalli sono necessariamente composti solidi e forti, così come le loro leghe. Questo è anche il risultato della presenza di legami metallici nei metalli. Il meccanismo di formazione di questo tipo di legame delle particelle conferma pienamente le proprietà.

Questi sono i principali caratteristiche fisiche per i metalli, che sono spiegati e determinati proprio dallo schema di formazione di un legame metallico. Questo metodo di connessione degli atomi è rilevante specificamente per gli elementi metallici e le loro leghe. Cioè, per loro allo stato solido e liquido.

Legame chimico di tipo metallico

Qual è la sua particolarità? Il fatto è che un tale legame si forma non a causa di ioni caricati diversamente e della loro attrazione elettrostatica e non a causa della differenza di elettronegatività e della presenza di coppie di elettroni libere. Cioè, i legami ionici, metallici e covalenti hanno natura e caratteristiche distintive leggermente diverse delle particelle che vengono legate.

Tutti i metalli hanno le seguenti caratteristiche:

• un numero esiguo di elettroni pro (salvo alcune eccezioni, che possono averne 6,7 e 8);
• grande raggio atomico;
• bassa energia di ionizzazione.

Tutto ciò contribuisce alla facile separazione degli elettroni spaiati esterni dal nucleo. Allo stesso tempo, l'atomo ha molti orbitali liberi. Il diagramma della formazione di un legame metallico mostrerà precisamente la sovrapposizione di numerose celle orbitali di atomi diversi tra loro, che di conseguenza formano uno spazio intracristallino comune. Gli elettroni vengono immessi da ciascun atomo, che iniziano a vagare liberamente parti differenti grate. Periodicamente, ciascuno di essi si lega a uno ione in un punto del cristallo e lo trasforma in un atomo, quindi si stacca nuovamente per formare uno ione.

Pertanto, un legame metallico è il legame tra atomi, ioni ed elettroni liberi in un comune cristallo metallico. Una nuvola di elettroni che si muove liberamente all’interno di una struttura è chiamata “gas di elettroni”. Questo è ciò che spiega la maggior parte dei metalli e le loro leghe.

Come si realizza esattamente un legame chimico metallico? Si possono fare vari esempi. Proviamo a guardarlo su un pezzo di litio. Anche se lo prendiate delle dimensioni di un pisello, ci saranno migliaia di atomi. Immaginiamo quindi che ciascuno di queste migliaia di atomi ceda il suo singolo elettrone di valenza allo spazio cristallino comune. Allo stesso tempo, conoscendo la struttura elettronica di un dato elemento, puoi vedere il numero di orbitali vuoti. Il litio ne avrà 3 (orbitali p del secondo livello energetico). Tre per ogni atomo su decine di migliaia: questo è lo spazio comune all'interno del cristallo in cui il "gas di elettroni" si muove liberamente.

Una sostanza con un legame metallico è sempre forte. Dopotutto, il gas elettronico non consente al cristallo di collassare, ma sposta solo gli strati e li ripristina immediatamente. Brilla, ha una certa densità (solitamente elevata), fusibilità, malleabilità e plasticità.

Dove altro viene venduto l'incollaggio dei metalli? Esempi di sostanze:

• metalli sotto forma di strutture semplici;
• tutte le leghe metalliche tra loro;
• tutti i metalli e le loro leghe allo stato liquido e solido.

Esistono semplicemente un numero incredibile di esempi specifici, perché i metalli in tavola periodica oltre 80!

Legame metallico: meccanismo di formazione

Se lo consideriamo in vista generale, allora abbiamo già delineato i punti principali sopra. La presenza di elettroni liberi ed elettroni che si staccano facilmente dal nucleo a causa della bassa energia di ionizzazione sono le condizioni principali per la formazione di questo tipo di legame. Pertanto, risulta che è realizzato tra le seguenti particelle:

• atomi nei siti del reticolo cristallino;
• elettroni liberi che erano elettroni di valenza nel metallo;
• ioni nei siti del reticolo cristallino.

Il risultato è un legame metallico. Il meccanismo di formazione è generalmente espresso voce successiva: Mi 0 - e - ↔ Mi n+ . Dal diagramma è ovvio quali particelle sono presenti nel cristallo metallico.

I cristalli stessi potrebbero averlo forme diverse. Dipende dalla sostanza specifica con cui abbiamo a che fare.

Tipi di cristalli metallici

Questa struttura di un metallo o di una sua lega è caratterizzata da un imballaggio di particelle molto denso. È fornito dagli ioni nei nodi cristallini. I reticoli stessi possono avere forme geometriche diverse nello spazio.

1. Reticolo cubico corpocentrico - metalli alcalini.
2. Struttura compatta esagonale - tutti gli alcalino-terrosi tranne il bario.
3. Cubico a facce centrate: alluminio, rame, zinco, molti metalli di transizione.
4. Mercurio ha una struttura romboedrica.
5. Tetragonale - indio.

Più si trova sempre più in basso nel sistema periodico, più complessa è la sua confezione e l'organizzazione spaziale del cristallo. In questo caso il legame chimico metallico, di cui si possono dare esempi per ogni metallo esistente, è determinante nella costruzione del cristallo. Le leghe hanno organizzazioni molto diverse nello spazio, alcune delle quali non sono state ancora completamente studiate.

Caratteristiche della comunicazione: non direzionale

I legami covalenti e metallici ne hanno uno molto pronunciato caratteristica distintiva. A differenza del primo, il legame metallico non è direzionale. Cosa significa? Cioè, la nuvola di elettroni all'interno del cristallo si muove completamente liberamente all'interno dei suoi confini in direzioni diverse, ogni elettrone è in grado di attaccarsi a qualsiasi ione nei nodi della struttura. Cioè, l'interazione viene effettuata da direzioni diverse. Quindi dicono che il legame metallico non è direzionale.

Il meccanismo del legame covalente prevede la formazione di coppie di elettroni condivisi, cioè nuvole di atomi sovrapposti. Inoltre, avviene rigorosamente lungo una certa linea che collega i loro centri. Pertanto, parlano della direzione di tale connessione.

Saturabilità

Questa caratteristica riflette la capacità degli atomi di avere interazioni limitate o illimitate con gli altri. Pertanto, secondo questo indicatore, i legami covalenti e metallici sono ancora una volta opposti.

Il primo è saturabile. Gli atomi che partecipano alla sua formazione hanno un numero rigorosamente definito di elettroni esterni di valenza, che sono direttamente coinvolti nella formazione del composto. Non avrà più elettroni di quanti ne ha. Pertanto, il numero di legami formati è limitato dalla valenza. Da qui la saturazione della connessione. A causa di questa caratteristica, la maggior parte dei composti ha una composizione chimica costante.

I legami metallici e idrogeno, al contrario, sono insaturi. Ciò è dovuto alla presenza di numerosi elettroni e orbitali liberi all'interno del cristallo. Gli ioni svolgono un ruolo anche nei siti del reticolo cristallino, ognuno dei quali può diventare in qualsiasi momento un atomo e poi ancora uno ione.

Un'altra caratteristica del legame metallico è la delocalizzazione della nuvola elettronica interna. Si manifesta nella capacità di un piccolo numero di elettroni condivisi di legare insieme molti nuclei atomici di metalli. Cioè, la densità è, per così dire, delocalizzata, distribuita uniformemente tra tutte le parti del cristallo.

Esempi di formazione di legami nei metalli

Diamo un'occhiata ad alcune opzioni specifiche che illustrano come si forma un legame metallico. Esempi di sostanze sono:

• zinco;
• alluminio;
• potassio;
• cromo.

Formazione di un legame metallico tra atomi di zinco: Zn 0 - 2e - ↔ Zn 2+. L'atomo di zinco ha quattro livelli energetici. In base alla struttura elettronica, ha 15 orbitali liberi: 3 in orbitali p, 5 in 4 d e 7 in 4f. Struttura elettronica quanto segue: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 0 4d 0 4f 0, in totale ci sono 30 elettroni nell'atomo. Cioè, due valenze libere particelle negative capace di muoversi entro 15 orbitali spaziosi e non occupati. E così è per ogni atomo. Il risultato è un enorme spazio comune costituito da orbitali vuoti e una piccola quantità di elettroni che legano insieme l’intera struttura.

Legame metallico tra atomi di alluminio: AL 0 - e - ↔ AL 3+. I tredici elettroni di un atomo di alluminio si trovano a tre livelli energetici, di cui evidentemente sono in abbondanza. Struttura elettronica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0 . Orbitali liberi - 7 pezzi. Ovviamente, la nuvola di elettroni sarà piccola rispetto allo spazio libero interno totale nel cristallo.

Legame di metallo cromato. Questo oggetto speciale nella sua struttura elettronica. Infatti, per stabilizzare il sistema, l'elettrone cade dall'orbitale 4s all'orbitale 3d: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 4p 0 4d 0 4f 0 . Ci sono 24 elettroni in totale, di cui sei sono elettroni di valenza. Sono loro che entrano nello spazio elettronico comune per formare un legame chimico. Ci sono 15 orbitali liberi, che sono ancora molto più del necessario da riempire. Pertanto, il cromo è anche un tipico esempio di metallo con un corrispondente legame nella molecola.

Uno dei metalli più attivi, reagendo anche con acqua naturale con la combustione, è potassio. Cosa spiega queste proprietà? Ancora una volta, in molti modi, tramite un tipo di connessione metallica. Questo elemento ha solo 19 elettroni, ma si trovano a 4 livelli energetici. Cioè, in 30 orbitali di diversi sottolivelli. Struttura elettronica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 0 4p 0 4d 0 4f 0 . Solo due con energia di ionizzazione molto bassa. Si staccano liberamente ed entrano nello spazio elettronico comune. Ci sono 22 orbitali di movimento per atomo, cioè uno spazio libero molto ampio per il “gas di elettroni”.

Somiglianze e differenze con altri tipi di connessioni

Generalmente questa domanda già discusso sopra. Si può solo generalizzare e trarre una conclusione. Le principali caratteristiche dei cristalli metallici che li distinguono da tutte le altre tipologie di connessioni sono:

• diversi tipi di particelle che partecipano al processo di legame (atomi, ioni o ioni-atomo, elettroni);
• diverse strutture geometriche spaziali dei cristalli.

I legami metallici hanno in comune con i legami idrogeno e ionici l'insaturazione e la non direzionalità. Con polare covalente - forte attrazione elettrostatica tra le particelle. Separatamente dallo ionico - un tipo di particelle ai nodi di un reticolo cristallino (ioni). Con atomi covalenti non polari nei nodi del cristallo.

Tipi di legami nei metalli di diverso stato di aggregazione

Come abbiamo notato sopra, un legame chimico metallico, di cui sono forniti esempi nell'articolo, si forma in due stati di aggregazione dei metalli e delle loro leghe: solido e liquido.

La domanda sorge spontanea: che tipo di legame c'è nei vapori metallici? Risposta: covalente polare e non polare. Come tutti i composti che si presentano sotto forma di gas. Cioè, quando il metallo viene riscaldato a lungo e trasferito dall'alto stato solido i legami nel liquido non vengono rotti e la struttura cristallina viene preservata. Tuttavia, quando si tratta di trasferire un liquido allo stato di vapore, il cristallo viene distrutto e il legame metallico viene convertito in covalente.

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Sai che gli atomi possono combinarsi tra loro per formare sostanze sia semplici che complesse. In questo caso, vari tipi legami chimici: ionico, covalente (non polare e polare), metallico e idrogeno. Una delle proprietà più essenziali degli atomi degli elementi che determina il tipo di legame che si forma tra loro - ionico o covalente - Questa è l'elettronegatività, cioè la capacità degli atomi di un composto di attrarre gli elettroni.

Una valutazione quantitativa condizionale dell'elettronegatività è data dalla scala dell'elettronegatività relativa.

Nei periodi c'è una tendenza generale all'aumento dell'elettronegatività degli elementi e nei gruppi alla loro diminuzione. Gli elementi sono disposti in fila in base alla loro elettronegatività, in base alla quale è possibile confrontare l'elettronegatività degli elementi situati in periodi diversi.

Il tipo di legame chimico dipende da quanto è grande la differenza nei valori di elettronegatività degli atomi di collegamento degli elementi. Quanto più gli atomi degli elementi che formano il legame differiscono in elettronegatività, tanto più polare è il legame chimico. È impossibile tracciare un confine netto tra i tipi di legami chimici. Nella maggior parte dei composti il ​​tipo di legame chimico è intermedio; ad esempio, un legame chimico covalente altamente polare è vicino a un legame ionico. A seconda di quale dei casi limite un legame chimico è di natura più stretta, viene classificato come legame polare ionico o covalente.

Legame ionico.

Un legame ionico è formato dall'interazione di atomi che differiscono nettamente l'uno dall'altro in elettronegatività. Ad esempio, i tipici metalli litio (Li), sodio (Na), potassio (K), calcio (Ca), stronzio (Sr), bario (Ba) formano legami ionici con tipici non metalli, principalmente alogeni.

Tranne gli alogenuri metalli alcalini, i legami ionici si formano anche in composti come alcali e sali. Ad esempio, nell'idrossido di sodio (NaOH) e nel solfato di sodio (Na 2 SO 4) legami ionici esistono solo tra gli atomi di sodio e di ossigeno (i restanti legami sono covalenti polari).

Legame covalente non polare.

Quando atomi con la stessa elettronegatività interagiscono, si formano molecole con un legame covalente non polare. Tale connessione esiste nelle molecole delle seguenti sostanze semplici: H 2, F 2, Cl 2, O 2, N 2. I legami chimici in questi gas si formano attraverso coppie di elettroni condivisi, cioè quando le corrispondenti nubi elettroniche si sovrappongono, a causa dell’interazione elettrone-nucleare, che avviene quando gli atomi si avvicinano tra loro.

Comporre formule elettroniche sostanze, va ricordato che ciascuna coppia di elettroni condivisa lo è immagine convenzionale aumento della densità elettronica derivante dalla sovrapposizione delle corrispondenti nubi elettroniche.

Legame polare covalente.

Quando gli atomi interagiscono, i cui valori di elettronegatività differiscono, ma non bruscamente, la coppia di elettroni comune si sposta su un atomo più elettronegativo. Questo è il tipo più comune di legame chimico, presente sia nei composti inorganici che organici.

I legami covalenti comprendono anche quei legami che si formano mediante un meccanismo donatore-accettore, ad esempio negli ioni idronio e ammonio.

Collegamento in metallo.

Il legame che si forma come risultato dell'interazione di elettroni relativamente liberi con ioni metallici è chiamato legame metallico. Questo tipo di legame è caratteristico delle sostanze semplici: i metalli.

L'essenza del processo di formazione del legame metallico è la seguente: gli atomi metallici rinunciano facilmente agli elettroni di valenza e si trasformano in ioni caricati positivamente. Gli elettroni relativamente liberi, staccati dall'atomo, si muovono tra ioni metallici positivi. Tra loro nasce un legame metallico, ad es. Gli elettroni, per così dire, cementano gli ioni positivi del reticolo cristallino dei metalli.

Legame idrogeno.

Legame che si forma tra gli atomi di idrogeno di una molecola e un atomo di un elemento fortemente elettronegativo(O,N,F) un'altra molecola è chiamata legame idrogeno.

Potrebbe sorgere la domanda: perché l’idrogeno forma un legame chimico così specifico?

Ciò è spiegato dal fatto che il raggio atomico dell'idrogeno è molto piccolo. Inoltre, quando sposta o dona completamente il suo unico elettrone, l'idrogeno acquisisce una carica positiva relativamente elevata, grazie alla quale l'idrogeno di una molecola interagisce con atomi di elementi elettronegativi che hanno una carica negativa parziale che entra nella composizione di altre molecole (HF , H2O, NH3) .

Diamo un'occhiata ad alcuni esempi. Di solito descriviamo la composizione dell'acqua formula chimica H 2 O. Tuttavia, questo non è del tutto esatto. Sarebbe più corretto denotare la composizione dell'acqua con la formula (H 2 O)n, dove n = 2,3,4, ecc. Ciò è spiegato dal fatto che le singole molecole d'acqua sono collegate tra loro tramite legami idrogeno .

I legami idrogeno sono solitamente indicati da punti. È molto più debole dei legami ionici o covalenti, ma più forte delle normali interazioni intermolecolari.

La presenza di legami idrogeno spiega l'aumento del volume dell'acqua al diminuire della temperatura. Ciò è dovuto al fatto che al diminuire della temperatura le molecole diventano più forti e quindi diminuisce la densità del loro “impaccamento”.

Quando studi chimica organica Sorse anche la seguente domanda: perché i punti di ebollizione degli alcoli sono molto più alti dei corrispondenti idrocarburi? Ciò è spiegato dal fatto che si formano legami idrogeno anche tra le molecole di alcol.

Un aumento del punto di ebollizione degli alcoli avviene anche a causa dell'ingrossamento delle loro molecole.

Il legame idrogeno è caratteristico anche di molti altri composti organici(fenoli, acidi carbossilici e così via.). Dai corsi di chimica organica e biologia generale Sapete che la presenza di un legame idrogeno spiega la struttura secondaria delle proteine, la struttura della doppia elica del DNA, cioè il fenomeno della complementarità.