Определение химической связи, характеристика, как они образуются, виды

химическая связь это сила, которая удерживает атомы, составляющие материю вместе. Каждый тип вещества имеет характерную химическую связь, которая состоит из участия одного или нескольких электронов. Таким образом, силы, соединяющие атомы в газах, отличаются, например, от металлов.

Все элементы таблицы Менделеева (за исключением гелия и легких благородных газов) могут образовывать химические связи друг с другом. Однако их природа изменяется в зависимости от того, какие элементы происходят от электронов, которые их образуют. Существенным параметром для объяснения типа ссылок является электроотрицательность.

Разница в электроотрицательности (ΔE) между двумя атомами определяет не только тип химической связи, но и физико-химические свойства соединения. Соли характеризуются наличием ионных связей (высокая ΔE) и многих органических соединений, таких как витамин B₁₂ (верхнее изображение), ковалентные связи (низкое ΔE).

В верхней молекулярной структуре каждая из линий представляет ковалентную связь. Клинья указывают на то, что связь выходит из плоскости (по направлению к читателю), а те, которые подчеркнуты из плоскости (в сторону от читателя). Обратите внимание, что есть двойные связи (=) и атом кобальта координированный с пятью атомами азота и боковой цепью R.

Но почему образуются такие химические связи? Ответ заключается в энергетической устойчивости участвующих атомов и электронов. Эта стабильность должна сбалансировать электростатические отталкивания, возникающие между электронными облаками и ядрами, и притяжение, оказываемое ядром на электроны соседнего атома..

индекс

• 1 Определение химической связи
• 2 Характеристики
• 3 Как они образовались
  • 3.1 Гомонуклеарные соединения A-A
  • 3.2 Гетероядерные соединения A-B
• 4 Типа
  • 4.1 - Ковалентная ссылка
  • 4.2 - Ионная ссылка
  • 4.3 Металлическая ссылка
• 5 примеров
• 6 Важность химической связи
• 7 ссылок

Определение химической связи

Многие авторы дали определения химической связи. Из всех них наиболее важным был физико-химический Г. Н. Льюис, который определил химическую связь как участие пары электронов между двумя атомами. Если атомы A · и · B могут обеспечить один электрон, то между ними будет образована простая связь A: B или A-B.

До образования связи и A, и B разделялись неопределенным расстоянием, но при соединении теперь существует сила, которая удерживает их вместе в двухатомном соединении AB и расстоянии (или длине) связи.

черты

Какими характеристиками обладает эта сила, которая удерживает атомы вместе? Они зависят больше от типа связи между A и B, чем от их электронных структур. Например, ссылка A-B является направленной. Что ты имеешь ввиду? Что сила, оказываемая объединением пары электронов, может быть представлена ​​на оси (как если бы это был цилиндр).

Кроме того, эта связь требует энергии, чтобы разорвать. Это количество энергии может быть выражено в единицах кДж / моль или кал / моль. Как только к соединению AB будет приложено достаточно энергии (например, при нагревании), оно распадется на исходные атомы A · и · B.

Чем более стабильна связь, тем больше энергии требуется для разделения соединяемых атомов..

С другой стороны, если связь в соединении AB была ионной, A⁺В^-, тогда это была бы ненаправленная сила. Почему? Потому что⁺ оказывает привлекательную силу на B^- (и наоборот) это зависит больше от расстояния, которое разделяет оба иона в пространстве, чем от их взаимного расположения.

Это поле притяжения и отталкивания собирает другие ионы, образуя так называемую кристаллическую решетку (верхнее изображение: катион A⁺ лежит в окружении четырех анионов B^-, и эти четыре катиона А⁺ и так далее).

Как они образовались

Гомонуклеарные соединения A-A

Для пары электронов, чтобы сформировать связь, есть много аспектов, которые должны быть рассмотрены в первую очередь. Ядра, скажем, ядра А, имеют протоны и поэтому являются положительными. Когда два атома А находятся далеко друг от друга, то есть на большом межъядерном расстоянии (верхнее изображение), они не испытывают никакого притяжения.

По мере приближения к двум атомам А их ядра притягивают электронное облако соседнего атома (фиолетовый круг). Это сила притяжения (над соседним фиолетовым кругом). Однако два ядра А отталкиваются, будучи положительными, и эта сила увеличивает потенциальную энергию связи (вертикальная ось).

Существует межъядерное расстояние, на котором потенциальная энергия достигает минимума; то есть и сила притяжения, и сила отталкивания сбалансированы (два атома A в нижней части изображения).

Если это расстояние уменьшается после этой точки, связь заставит два ядра очень сильно отталкиваться, дестабилизируя соединение A-A.

Таким образом, для установления связи должно быть достаточное для энергии межъядерное расстояние; и кроме того, атомные орбитали должны правильно перекрываться, чтобы электроны были связаны.

Гетероядерные соединения А-Б

Что, если вместо двух атомов A присоединиться к одному из A и другому из B? В этом случае верхний график изменится, потому что один из атомов будет иметь больше протонов, чем другой, а электронные облака разных размеров.

Когда связь A-B образуется на соответствующем межъядерном расстоянии, пара электронов будет обнаруживаться в основном в окрестности наиболее электроотрицательного атома. Это происходит со всеми гетероядерными химическими соединениями, которые составляют подавляющее большинство из тех, которые известны (и будут известны).

Хотя это и не упоминается подробно, существует множество переменных, которые напрямую влияют на то, как атомы сближаются и образуются химические связи; некоторые являются термодинамическими (реакция спонтанна?), электронными (насколько полными или пустыми являются орбитали атомов) и другими кинетиками.

тип

Ссылки представляют ряд характеристик, которые отличают их друг от друга. Некоторые из них можно выделить в трех основных классификациях: ковалентная, ионная или металлическая..

Хотя есть соединения, ссылки на которые принадлежат одному типу, многие из них на самом деле состоят из смеси символов каждого. Этот факт связан с различием электроотрицательности между атомами, составляющими связи. Таким образом, некоторые соединения могут быть ковалентными, но присутствовать в их связях определенного ионного характера.

Кроме того, тип связи, структура и молекулярная масса являются ключевыми факторами, которые определяют макроскопические свойства материала (яркость, твердость, растворимость, температура плавления и т. Д.)..

-Ковалентная связь

Ковалентные связи - это те, которые были объяснены до сих пор. В них две орбитали (по одному электрону в каждой) должны перекрываться с разделенными ядрами на соответствующем межъядерном расстоянии..

В соответствии с теорией молекулярной орбитали (TOM), если перекрытие орбиталей является фронтальным, образуется сигма-связь (которая также называется простой или простой связью). Хотя, если орбитали образованы боковыми и перпендикулярными перекрытиями относительно межъядерной оси, будут присутствовать π (двойные и тройные) связи:

Простая ссылка

Звено σ, как видно на изображении, формируется вдоль межъядерной оси. Хотя это не показано, А и В могут иметь другие связи и, следовательно, свою собственную химическую среду (разные части молекулярной структуры). Этот тип звена характеризуется мощностью вращения (зеленый цилиндр) и является самым сильным из всех.

Например, простая связь молекулы водорода может вращаться на межъядерной оси (H-H). Таким же образом, гипотетическая молекула CA-AB может сделать это.

Звенья C-A, A-A и A-B вращаются; но если C или B являются атомами или группой громоздких атомов, вращение A-A стерически затруднено (потому что C и B потерпят крах).

Простые связи обнаруживаются практически во всех молекулах. Их атомы могут иметь любую химическую гибридизацию, пока перекрытие их орбиталей является фронтальным. Возвращаясь к структуре витамина В₁₂, любая строка (-) обозначает одну ссылку (например, -CONH ссылки₂).

Двойная ссылка

Двойная связь требует, чтобы атомы имели (обычно) sp-гибридизацию². Чистая p-связь, перпендикулярная трем sp-гибридным орбиталям², образует двойную связь, которая показана в виде сероватого листа.

Обратите внимание, что как одно звено (зеленый цилиндр), так и двойное звено (серый лист) сосуществуют одновременно. Однако, в отличие от простых звеньев, двойники не имеют одинаковой свободы вращения вокруг межъядерной оси. Это связано с тем, что для поворота ссылка (или лист) должна быть разорвана; процесс, который требует энергии.

Кроме того, ссылка A = B является более активной, чем A-B. Длина этого меньше, и атомы A и B находятся на меньшем межъядерном расстоянии; следовательно, существует большее отталкивание между обоими ядрами. Разрыв обеих связей, одинарных и двойных, требует больше энергии, чем необходимо для разделения атомов в молекуле A-B.

В составе витамина В₁₂ можно наблюдать несколько двойных связей: C = O, P = O и внутри ароматических колец.

Тройная ссылка

Тройная связь даже короче, чем двойная связь, и ее вращение более энергетически нарушено. В нем образуются две перпендикулярные π-ссылки (серый и фиолетовый листы), а также простая ссылка.

Обычно химическая гибридизация атомов A и B должна быть sp: две sp-орбитали, разделенные на 180 °, и две чистые p-орбитали, перпендикулярные первой. Обратите внимание, что тройная связь напоминает палитру, но без силы вращения. Эта связь может быть просто представлена ​​как A≡B (N≡N, молекула N-азота₂).

Из всех ковалентных связей эта является наиболее реакционноспособной; но в то же время тот, который нуждается в большем количестве энергии для полного разделения своих атомов (· A: +: B ·). Если витамин В₁₂ имел тройную связь в своей молекулярной структуре, его фармакологический эффект резко изменился бы.

В тройных связях участвуют шесть электронов; в парном разряде четыре электрона; и в простом или простом, два.

Образование одной или нескольких из этих ковалентных связей зависит от электронной доступности атомов; то есть, скольким электронам нужны их орбитали для получения валентного октета.

Неполярная связь

Ковалентная связь состоит из справедливого распределения пары электронов между двумя атомами. Но это строго верно только в случае, когда оба атома имеют одинаковую электроотрицательность; то есть та же тенденция привлекать электронную плотность окружающей среды в составе.

Неполярные связи характеризуются разностью нулевой электроотрицательности (ΔE≈0). Это происходит в двух ситуациях: в гомоядерном соединении (А₂) или если химические среды по обе стороны от ссылки эквивалентны (H₃С-СН₃, молекула этана).

Примеры неполярных связей видны в следующих соединениях:

-Водород (H-H)

-Кислород (O = O)

-Азот (N≡N)

-Фтор (F-F)

-Хлор (Cl-Cl)

-Ацетилен (HC≡CH)

Полярные ссылки

Когда есть заметная разница в электроотрицательности ΔE между обоими атомами, вдоль оси связи образуется дипольный момент: A^δ+-В^δ-. В случае гетероядерного соединения AB B является наиболее электроотрицательным атомом и, следовательно, имеет самую высокую электронную плотность δ-; в то время как А, наименее электроотрицательный, дефицит нагрузки δ+.

Для того, чтобы возникли полярные связи, два атома с разными электроотрицательными кругами должны быть соединены; и, таким образом, образуют гетероядерные соединения. A-B напоминает магнит: у него есть положительный полюс и отрицательный полюс. Это позволяет ему взаимодействовать с другими молекулами через диполь-дипольные силы, среди которых есть водородные связи.

Вода имеет две полярные ковалентные связи, H-O-H, и ее молекулярная геометрия является угловой, что увеличивает ее дипольный момент. Если бы его геометрия была линейной, океаны испарились бы, и вода имела бы более низкую температуру кипения.

Тот факт, что соединение имеет полярные связи, это не значит, что оно полярно. Например, четыреххлористый углерод, CCl₄, имеет четыре полярные связи C-Cl, но по их тетраэдрическому расположению дипольный момент в конечном итоге сводится к нулю.

Дательные или координационные ссылки

Когда атом дает пару электронов для образования ковалентной связи с другим атомом, тогда мы говорим о дативной или координационной связи. Например, имея B: пара доступных электронов, и A (или A⁺), электронная вакансия, ссылка B: A сформирована.

В составе витамина В₁₂ пять атомов азота связаны с металлическим центром Co этим типом ковалентной связи. Эти атомы азота отдают свою пару свободных электронов катиону Co³⁺, координация металла с ними (Co³⁺: Н-)

Другой пример можно найти в протонировании молекулы аммиака с образованием аммония:

H₃N: + H⁺ => NH₄⁺

Обратите внимание, что в обоих случаях это атом азота, который вносит электроны; следовательно, ковалентная дативная или координационная связь возникает, когда один атом вносит вклад в пару электронов.

Аналогично, молекула воды может быть протонирована для превращения в катион гидрония (или оксония):

H₂O + H⁺ => H₃О⁺

В отличие от катиона аммония, у гидрония все еще есть свободная пара электронов (H₃O:⁺); однако очень трудно принять другой протон, чтобы образовать нестабильный дигидрогидроний, H₄О²⁺.

-Ионная связь

Изображение показывает белый холм соли. Соли характеризуются наличием кристаллических структур, то есть симметричных и упорядоченных; высокие температуры плавления и кипения, высокая электропроводность при плавлении или растворении, а также их ионы сильно связаны электростатическими взаимодействиями.

Эти взаимодействия составляют то, что известно как ионная связь. На втором изображении показан катион А⁺ в окружении четырех анионов B^-, но это 2D представление. В трех измерениях, А⁺ должен иметь другие анионы B^- вперед и позади самолета, образуя различные структуры.

Итак, А⁺ у него может быть шесть, восемь или даже двенадцать соседей. Число соседей, окружающих ион в кристалле, известно как координационное число (N.C). Для каждого N.C тип кристаллического расположения связан, который, в свою очередь, составляет твердую фазу соли.

Симметричные и ограненные кристаллы, видимые в солях, обусловлены равновесием, установленным взаимодействиями притяжения (A⁺ В^-) и отталкивание (А^{+ +}, В^- В^-) электростатическое.

обучение

Но почему А + и Б^-, или на⁺ и Cl^-, не образуют ковалентные связи Na-Cl? Потому что атом хлора гораздо более электроотрицателен, чем металлический натрий, который также очень легко отдает свои электроны. Когда эти элементы обнаружены, они экзотермически реагируют с образованием поваренной соли:

2Na (s) + Cl₂(г) => 2NaCl (s)

Два атома натрия дают свой уникальный валентный электрон (Na ·) двухатомной молекуле Cl₂, для того, чтобы сформировать анионы Cl^-.

Взаимодействия между катионами натрия и хлорид-анионами, хотя они и представляют более слабую связь, чем ковалентные, способны сохранять их сильную связь в твердом теле; и этот факт отражается в высокой температуре плавления соли (801ºC).

Металлическая ссылка

Последний из видов химической связи является металлическим. Это можно найти на любом металле или сплаве. Он характеризуется тем, что он особенный и отличается от других, потому что электроны не переходят от одного атома к другому, а путешествуют, как море, как кристалл металлов..

Таким образом, атомы металла, а именно медь, смешивают свои валентные орбитали друг с другом, образуя зоны проводимости; посредством чего электроны (s, p, d или f) проходят вокруг атомов и держат их тесно связанными.

В зависимости от количества электронов, которые проходят через металлический кристалл, орбиталей, предусмотренных для полос, и упаковки их атомов, металл может быть мягким (как щелочные металлы), твердым, ярким или хорошим проводником электричества и тепла.

Сила, которая удерживает вместе атомы металлов, такие как те, которые составляют маленького человека на изображении и его ноутбуке, превосходит силу солей.

Это может быть проверено экспериментально, потому что кристаллы солей могут быть разделены на несколько половинок перед механическим воздействием; в то время как металлический кусок (состоящий из очень маленьких кристаллов) деформируется.

примеров

Следующие четыре соединения охватывают типы объясненных химических связей:

-Фторид натрия, NaF (Na⁺F^-): ионный.

-Натрий, Na: металлик.

-Фтор, F₂ (F-F): неполярный ковалент, потому что между обоими атомами есть ноль ΔE, потому что они идентичны.

-Фтористый водород, HF (H-F): полярная ковалентность, поскольку в этом соединении фтор является более электроотрицательным, чем водород.

Есть соединения, такие как витамин B₁₂, который обладает как полярными, так и ионными ковалентными связями (в отрицательном заряде его фосфатной группы -PO₄^--). В некоторых сложных структурах, таких как металлические кластеры, все эти типы связей могут сосуществовать.

Материя предлагает примеры химических связей во всех ее проявлениях. От камня на дне пруда и воды, которая его окружает, до жаб, которые каркают по его краям.

Хотя связи могут быть простыми, число и пространственное расположение атомов в молекулярной структуре открывают путь к богатому разнообразию соединений..

Важность химической связи

Какова важность химической связи? Неисчислимое количество последствий, которые могут вызвать отсутствие химической связи, подчеркивает его огромное значение в природе:

-Без этого цвета не существовало бы, потому что их электроны не поглощали бы электромагнитное излучение. Частицы пыли и льда, присутствующие в атмосфере, исчезнут, и поэтому синий цвет неба станет темным.

-Углерод не может образовывать свои бесконечные цепи, из которых происходят триллионы органических и биологических соединений..

-Белки даже не могут быть определены в составляющих их аминокислот. Сахар и жиры исчезнут, как и любые углеродистые соединения в живых организмах..

-Земля выйдет из атмосферы, потому что в отсутствие химических связей в ее газах не будет сил удерживать их вместе. И между ними не было бы ни малейшего межмолекулярного взаимодействия..

-Горы могут исчезнуть, потому что их камни и минералы, хотя и тяжелые, не могут содержать свои атомы, упакованные внутри их кристаллических или аморфных структур..

-Мир будет образован отдельными атомами, неспособными образовывать твердые или жидкие вещества. Это также привело бы к исчезновению всей трансформации материи; то есть не было бы никакой химической реакции. Везде только мимолетные газы.

ссылки

1. Гарри Б. Грей. (1965). Электроны и химическая связь. В. А. BENJAMIN, INC. П 36-39.
2. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 233, 251, 278, 279.
3. Корабль Р. (2016). Химическая связь. Получено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Типы химической связи. (3 октября 2006 г.) Взято из: dwb4.unl.edu
5. Формирование химических связей: роль электронов. [PDF]. Получено от: cod.edu
6. Фонд СК-12. (Н.Д.). Формирование энергии и ковалентных связей. Получено от: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Ковалентная связь скоординированная или дативная. Получено с: quimitube.com