Legaturi Chimice [PDF]

Zitiervorschau

Capitolul 2: Legaturi chimice Lectia 6

Legaturi chimice Prin transformari chimice, atomii au posibilitatea de a ajunge intr-o stare de energie minima. In reactiile chimice, intre atomi se stabilesc anumite forte, numite legaturi chimice. Acestea se clasifica in: ionice,covalente si metalice.

Legătura ionica Legătura ionica sau electrovalenta este legătura chimica rezultata prin transfer de electroni. Elementele din grupele I A, II A, III A si toate grupele secundare, cedeaza electroni transformandu-se in ioni pozitivi. Elementele din grupele V A, VI A, VII A accepta electroni transformandu-se in ioni negativi. Ionii formati se atrag datorita legii lui Coulomb pana la o anumita distanta. Rezulta compuşi ionici, nu molecule. Ionii pot fi monoatomici: Na , Zn , Al , Cl , S , O si poliatomici: NH4+, H3O+, SO42_, CN_. Exemple de compusi cu legatura ionica: - Oxizi metaliciCaO, MgO, Na2O, Na2O2. - Hidroxizi: LiOH, NaOH, KOH. - Saruri:NaCl, MgCb, &1SO4, NH4O, KNO3. Intre ionii de sodiu si de clorura se stabileste legatura ionica, clorura de sodiu fiind un compus ionic. Proprietati ale substantelor ionice

1) STAREA DE AGREGARE -In conditii normale de temperatura,substantele ionice sunt solide,cristalizate. Punctele de topire si de fierbere ale compusilor ionici au valori mari,deoarece legatura ionica este o legatura puternica. -Dimensiunile ionilor au un rol important in determinarea structurii si stabilitatii cristalului ionic.Punctele de topire ale compusilor ionici sunt cu atat mai mari cu cat raza ionilor este mai mica: *NaF (992),NaCl (801),NaBr (740). -Stabilitatea cristalului ionic este influentata si de marimea sarcinii ionilor.Astfel, punctul de topire creste cu sarcina ionului pozitiv: *NaF (992),MgF2 (1260),AlF3 (1290).

2) REZISTENTA MECANICA -Cristalele ionice se sfarama sub actiunea unei forte mecanice.

3) SOLUBILITATEA -Majoritatea compusilor ionici sunt solubili in solventi polari,asa cum este apa.

Capitolul 2: Legaturi chimice Lectia 6

4) CONDUCTIBILITATEA ELECTRICA -Cristalele ionice nu conduc curentul electric in stare solida,deoarece ionii ocupa pozitii fixe in reteaua cristalina. Ionii sunt mentinuti in aceste pozitii datorita legaturii ionice puternice. -In stare lichida sau in solutie,ionii devin mobili;sub actiunea unei diferente de potential,ionii se pot deplasa spre electrozi,facand posibila trecerea curentului electric. Substantele care permit trecerea curentului electric prin solutie sau topitura poarta numele de electroliti.

Cristalul de clorura de sodiu NaCl Clorura de sodiu sau sarea gema( NaCl ) este o substanta ionica. Substantele ionice au structuri cristaline ionice, adica in nodurile retelei sunt ioni retinuti prin forte electrostatice. Reteaua clorurii de sodiu este cubica avand fete centrate si centrata intern. Adica, ionii de Na+ ocupa colturile si centrul fetelor unui cub, iar ionii de Cl ocupa muchiile si centrul cubului. Astfel, fiecare ion este inconjurat de sase ioni de semn contrar: Na+/Cl_ = 6/6

Retelele ionice sunt constituite din ioni pozitivi si negativi, coeziunea dintre acestia fiind data de atractia electrostatica de natura columbiana. Substantele care formeaza retele ionice la temperatura obisnuita sunt solide, in general incolore si transparente. Cristalele ionice sunt solubile in apa (si alti solventi polari);ionii trec in solutie in stare hidratata (solvatata).Substantele ionice conduc curentul electric numai in stare topita sau in solutie apoasa; sunt electroliti. Solvatul (NaCl) fiind un compus ionic este alcatuit din ioni de semn contrar. Apa este formata din molecule covalent polare (dipoli). Apa este un solvent polar. Intre ionii solvatului se manifesta forte puternice de atractie electrostatica. Intre moleculele polare de apa se exercita interactii slabe,legaturi de hidrogen. La dizolvarea substantelor ionice in apa, moleculele solventului polar se orienteaza cu polii de semn contrar spre ionii cristalului. Interactiile dintre solvat si solvent sunt de tip ion-dipol; rezulta ioni hidratati, mobili. Existenta ionilor mobili explica de ce solutiile apoase ale compusilor ionici conduc curentul electric (sunt electroliti). In clorura de sodiu solida, ionii ocupa pozitii fixe si de aceea ea nu conduce curentul electric. Solutia apoasa de clorura de sodiu contine ioni solvatati mobili; ea este buna conducatoare de electricitate.

Clorura de sodiu se utilizeaza in: -alimentatie (sare de bucatarie) si in industria alimentara;

Capitolul 2: Legaturi chimice Lectia 6

-materie prima in obtinerea: clorului, acidului clorhidric, hidroxidului de sodiu, sodei de rufe; -industria sapunului si colorantilor; -tabacarie; -medicina (serul fiziologic contine 0,9 g NaCl la 100 mL de apa ); -lentile si prisme pentru razele infrarosii.

Legătura covalenta Legătura covalenta este legătura chimica realizata prin punere in comun de electroni necuplati intre atomi de nemetale, identici sau diferiti. Legatura covalenta duce la formarea moleculelor,constituite din atomi. Dupa natura atomilor implicati exista urmatoarele tipuri de legaturi covalente: -Legatura covalenta polara; -Legatura covalenta nepolara; -Legatura covalenta coordinativa. 1. Legatura covalenta nepolara Se stabileste intre atomi identici de nemetale (cu acelasi Z). Atomii implicati isi pun in comun electronii impari din stratul de valenta. Poate fi: - simpla - dubla - tripla. Perechea de electroni de legatura este repartizata uniform intre cei doi atomi. Se formeaza molecule nepolare.

Exemple: H—H hidrogen molecular; Cl—Cl clor Formarea legaturii covalente in molecula de hidrogen iH Îs1 are 1e- impar

molecular; O=O oxigen molecular; N=N azot 2. Legătura covalenta polara

Formarea legaturii covalente in molecula de clor Se stabileşte intre atomi de nemetale diferite (Z diferite). Atomii implicati isi pun in comun electronii impari din stratul de valenta. Poate fi: - simpla

Formarea legaturii covalente in molecula de azot

- dubla

Capitolul 2: Legaturi chimice Lectia 6 - tripla. Perechea de electroni de legatura este mai apropiata de nucleul atomului cu caracter electronegativ mai pronuntat; apar sarcini fractionare negative, 8 pozitive 8

+

—

si

,la cei doi atomi. Se formeaza molecule polare (dipoli).

Exemple: H—Cl acid clorhidric; H—F acid fluorhidric; H—C=N acid cianhidric; H—O apa; H\ H—N—H amoniac.

H Formarea legaturii covalente in molecula de acid clorhidric 1 Molecula de acid clorhidric se formeaza dintr-un atom de hidrogen si un atom de clor: 1H Îs care are un e impar iyCl 1s22s22p63s23p5 care are tot un e- impar din cei 7 de pe 3s3p

Cei 6e

-

ai clorului care nu participa la formarea legaturii covalente se numesc electroni neparticipanti. Hidrogenul si clorul au electronegativitati diferite. Perechea de electroni pusa in comun este atrasa mai puternic de clor, care este mai electronegativ. In molecula se formeaza doua centre cu sarcini electrice opuse,sau un dipol.

Legatura dintre hidrogen si clor este covalenta polara simpla. Molecula de acid clorhidric este polara,este un dipol.Moleculele dipolare de acid clorhidric se asociaza prin legaturi fizice slabe, Van der Waals, de tip dipol-dipol. Formarea legaturii covalente in molecula de apa 1 Molecula de apa se formeaza dintr-un atom de oxigen si doi atomi de hidrogen: 1H 1s | 2 2 4 sO 1s 2s 2p s

px py pz

;

H Se formeaza doua legaturi covalente polare simple O—H. Molecula de apa este polara,este un dipol. Formarea legaturii covalente in molecula de amoniac Molecula de amoniac se formeaza dintr-un atom de azot si trei atomi de hidrogen Se formeaza trei legaturi covalente simple N—H. Molecula de amoniac este polara

Proprietatile fizice ale apei Apa este:- un lichid -incolor (in straturi groase este albastru), -inodor; -insipid; -punct de topire pt = 0°C; . -punct de fierbere pf = 100°C 3 -densitatea la 4°C = 1g / cm

-

nu conduce curentul electric (izolator). Apa prezinta o serie de proprietati fizice care o deosebesc de celelalte hidruri ale nemetalelor vecine in sistemul periodic. Aceste proprietati se numesc "anomaliile apei".

a.

Apa este lichida intr-un interval mare de temperature (0°-100°C). Aceasta anomalie este atribuita asocierii moleculelor de apa prin legaturi de hidrogen. Legaturile de hidrogen se realizeaza intre moleculele care contin hidrogen legat covalent de un element puternic electronegativ care are volum mic si electroni neparticipanti.Legatura de hidrogen este de natura electrostatica, mult mai slaba decat legatura covalenta si nu implica punerea in comun de electroni.

b.

Densitatea apei variaza in functie de temperatura. Cauza anomaliilor densitatii este gradul diferit de asociere moleculara. Moleculele care s-au asociat la un anumit moment se pot desprinde pentru a se asocia din nou:

c. La inghetare creste volumul si scade densitatea. La inghetare se formeaza o a doua legatura de hidrogen la atomul de oxigen, motiv pentru care gheata are o structura afanata, ceea ce determina cresterea volumului si scaderea densitatii. Prin inghetare apa isi mareste volumul cu 9%. Asa se explica de ce se sparg conductele, cazanele, sticlele cand ingheata apa in ele si de ce crapa pietrele de ger. 3 Majoritatea lichidelor isi micsoreaza volumul la solidificare. Se stie ca apa are p max = 1 g /cm , ceea ce se datoreza faptului ca apa este formata din ( H 2O )2 ; aceasta presupune existenta a doua legaturi de hidrogen:

Apa in stare de vapori este formata din molecule libere (n = 1 ).

Legatura coordinativa

Legătura covalenta coordinativa se realizează tot prin punere in comun de electroni, dar dubletul de legatura provine de la un singur atom numit donor. Legatura coordinativa se formeaza cand donorul are o pereche de electroni neparticipanti iar acceptorului ii lipsesc doi electroni. Aceasta legatura se intalneste in cazul ionului amoniu NH4+ si a ionului hidroniu H3O+. Ionul amoniu NH4+ se formeaza cand molecula de amoniac NH3 ,in care azotul N prezinta o pereche de electroni neparticipanti,vine in contact cu un ion de hidrogen H+ provenit de la un acid sau de la apa. Azotul este donorul iar ionul de hidrogen este acceptorul. Datorita sarcinii pozitive a ionului de hidrogen intregul ion de amoniu se va incarca pozitiv.

Ionul de amoniu prezinta 3 legaturi covalente polare N—H si o legatura covalenta coordinativa N— H (donor-acceptor). Ionul hidroniu H3O+ se formeaza cand molecula de apa H2O, in care oxigenul O prezinta 2 perechi de electroni neparticipanti, vine in contact cu un ion de hidrogen H+ provenit de la un acid sau de la o alta molecula de apa. Oxigenul este donorul unei perechi de electroni iar ionul de hidrogen este acceptorul. Datorita sarcinii pozitive a ionului de hidrogen intregul ion de hidroniu se va incarca pozitiv.

Ionul de hidroniu prezinta 2 legaturi covalente polare O—H si o legatura covalenta coordinativa O— H (donor-acceptor).

Legătura metalică Mineralogul si chimistul norvegian V.M.Goldschmidt considera că între atomii unui metal ar exista covalenţe. L.Pauling considera că în reţeaua metalică legăturile dintre atomi sunt în rezonanţă, electronii de valenţă fiind repartizaţi statistic în mod egal între toţi atomii alăturaţi ai reţelei cristaline. De exemplu, în reţeaua cristalină a sodiului fiecare atom, având un electron de valenţă în orbitalul 3s, poate forma o covalenţă cu un atom vecin. Prin urmare, după L.Pauling, între atomii unui metal se stabilesc legături dielectronice, labile, care se desfac şi se refac necontenit, între diferitele perechi de atomi vecini din reţea. La formarea legăturilor metalice în sodiul cristalizat ia parte numai electronul de valenţă al fiecarui atom în parte. Pentru explicarea intensităţii legăturii metalice, L.Pauling considera că prin transfer de electroni de la un atom la altul se formează şi structuri ionice. Prin urmare, la metale unii atomi primesc mai mulţi electroni decât pot include în stratul de valenţă. Coeziunea mare a metalelor este explicată de către L.Pauling prin existenţa valenţei metalice, care este cuprinsă între 1 şi 6. Valenţa metalică este reprezentată de numarul electronilor care participă la formarea legăturii metalice. Pentru elementele cu Z=19-31 valenta metalică este reprezentată de cifra scrisă deasupra fiecarui element. Prin urmare, numarul maxim de legături metalice este format de metalele tranziţionale cu coeziune maximă din grupele VI b, VII b şi VIII . Metalele al căror număr de legături metalice este mare, au raze atomice mici, densităţi şi durităţi mari, temperaturi de topire şi de fierbere ridicate precum şi o rezistenţă remarcabilă la solicitările mecanice exterioare. Spre deosebire de covalenţe, legăturile metalice sunt nesaturate, nelocalizate şi nedirijate în spaţiu, ceea ce ar explica plasticitatea metalelor. . *exemple de substante cu legaturi metalice : aur, zinc,cupru.

Regula octetului Care este originea si natura fortelor ce se manifesta in substante? Primul raspuns la aceasta intrebare a fost dat de teoria electronica a legaturii chimice, elaborata de catre G.N.Lewis si W.Kossel,in 1916. Conform acestei teorii, legaturile chimice se realizeaza cu participarea electronilor din invelisul exterior al atomilor, numiti electroni de valenta. Cauza formarii legaturilor chimice o constituie tendinta generala a atomilor de a ajunge intr-o stare de energie minima prin realizarea unei structuri electronice stabile pe ultimul strat, corespunzatoare gazului inert cel mai apropiat in tabelul periodic. Gazele inerte au configuratie de octet pe stratul exterior (exceptie face heliul,care are configuratie de dublet), care le confera inertie chimica.

De aici a rezultat regula octetului, care prevede ca atomii tind sa isi realizeze o configuratie de maximum 8 electroni a ultimului strat (regula riguros valabila doar pentru elementele din perioada a 2-a). Atomii pot ajunge la configuratii electronice stabile prin cedare,acceptare sau punere in comun de electroni in reactii cu alti atomi cand se formeaza legaturi chimice.