Legaturi chimice

LEGATURI CHIMICE

Majoritatea substantelor din natura sau obtinute artificial sunt combinatii intre atomi diferiti.

Se cunosc trei principale legaturi chimice:

-legatura ionica sau electrovalenta;

-legatura covalenta;

-legatura metalica.

In afara de cele trei tipuri fundamentale se mai cunosc si alt gen de legaturi mai slabe, legaturi intre molecule asa numitele:

- legaturi van der Waals;

- legaturi de hidrogen;

- legaturi dipol-dipol.

In majoritatea cazurilor, legatura intre doi atom este complexa, de aceea aproape ca nu sunt compusi in care legatura sa fie pur ionica sau pur atomica.

Legatura chimica poate sa fie preponderent ionica, de ex. NaCl, sau covalenta, ex. H

Prin procesul de combinare a atomilor se degaja energie. Combinandu-se atomii dau nastere unor sisteme sarace in energie.

1. LEGATURA IONICA.

Bazele teoriei legaturii ionice au fost puse de catre W. Kossel, care o explica prin transferul de electron de la atomii elementelor cu caracter electropozitiv la atomii elementelor cu caracter electronegativ.

Formarea ionilor pozitiv sau cationilor (electropozitivitate), prin pierdere de electroni (oxidare), necesita consum de energie, numita energie de ionizare.

Na - e ˉ + E ionizare → Na+ eˉ procesul de oxidare. Sodiul este un reducator.

Capacitatea unui atom de a accepta electroni (reducere), transformandu-se in ioni negativi, se numeste electronegativitate.

eˉ + Cl → Cl‾  procesul de reducere. Clorul este un oxidant.

Fenomenul de oxidare este un proces prin care un atom sau un ion isi mareste valenta pozitiva sau isi micsoreaza valenta negativa ca urmare a pierderii unui anumit numar de electroni.

Elementul electropozitiv sau ionul care intr-o reactie de oxido-reducere pierde unul sau mai multi electroni oxidandu-se, este un reducator.

Elementul electronegativ sau ion care intr-o reactie oxido-reducere castiga unul sau mai multi electroni, reducandu-se este un oxidant.

Prin legaturi ionice se formeaza: sarurile; acizii; unii oxizibazici si cele mai multe baze.

Majoritatea substantelor formate din ioni se prezinta sub forma de cristale ionice. In ansamblu, cristalul ionic are un numar de ioni pozitivi a caror sarcina este neutralizata de sarcina ionilor negativi, deci substantele ionice nu sunt constituite din molecule.

Ionii poliatomici de tipul NH4 NO3‾, HO‾ sunt formati din mai multi atomi prin covalente; in reteaua cristalina, ionii poliatomici sunt legati si ei de alti ioni, de semn contrar, prin forte de natura electrostatica.

Astfel de cristale formeaza: NH4Cl, AgNO3, NaOH etc.

Legatura ionica este o legatura relativ puternica. Compusii ionici au puncte de topire si de fierbere ridicat. Cu cat forta de atractie dintre ionii este mai puternica, cu atat punctul de topire este mai ridicat.

Punctul de topire creste cu valenta ionului pozitiv.

LEGATURA COVALENTA.

G.N. Lewis, a aratat ca atomii pot forma configuratii electronice stabile de gaz rar prin punere in comun electroni necuplati [celibatari].

Legatura care se realizeaza prin punere in comun electroni, se numeste legatura covalenta, formand molecule, uniti riguros legate, stabile.

Cei doi electroni pusi in comun [dubletul comun] se reprezinta printr-o linie ce uneste cei doi atomi legati, de ex. H2, este reprezentat in felul urmator: H–H.

Covalenta nepolara, se stabileste intre atomii de acelasi fel si care se caracterizeaza prin apartenenta perechii de electroni de legatura in mod egal la cei doi atomi legati. De exemplu: F–F, F2; Cl–Cl, Cl2; Br–Br, Br2; J–J sau J2; O=O sau O

Moleculele rezultate din legaturi covalente sunt molecule nepolare, dearece centrul sarcinilor pozitive coincide cu cel al sarcinilor negative.

Convalenta polara, poate fi considerata ca fiind o legatura cu caracter intermediar intre legatura electrovalenta si legatura covalenta nepolara.

Electronegativitatea atomilor angajati in legatura covalenta polara este diferita, ceea ce determina atractia perechii de electroni implicati in formarea legaturilor de catre elementul mai electronegativ; astfel legatura va avea un caracter polar. De exemplu: HCl, in care perechea de electroni este deplasat spre atomul de clor.

Majoritatea moleculelor continand legaturi covalente polare sunt molecule in care centrul sarcinilor pozitive nu mai coincide cu centrul sarcinilor negative.

Pentru a compara polaritatile diferitelor molecule se foloseste o masura numita moment eletric sau moment dipol notat prin ,,μ’’. 

Relatia  este urmatoarea:

μ=e·d

In care ,,e” reprezinta sarcina electrica, iar ,,d” distanta dintre centrele sarcinilor pozitive si negative, adica lungimea dipolului.

In general o molecula este atat mai polara cu cat diferenta dintre caracterul nemetalic si metalic al elementelor care se leaga este mai mare.

1. Legatura covalenta coordinativa

Aceasta legatura se realizeaza prin intermediul unei perechi de electroni care provine dela un singur atom. De ex. ionii de amoniu [NH4+] si de hidroniu [H3O+]. Datorita perechii de electroni neparticipanti de la azot, protonul [H+] se poate lega covalent coordinativ in amoniu. Ionul de amoniu care s–a format este un ion poliatomic sau ion complex, iar sarcina pozitiva a protonului coordinat de atomul de azot se reparizeaza uniform in intregul ion. .

3.   LEGATURA METALICA.

Atomii metalelor nu se pot lega intre ei nici prin covalente, nici prin electrovalente, neavand posibilitatea de a-si completa octetul de electroni prin formarea de asemenea legaturi.

In situatia in care atomii din metal se afla la distante mici unii fata de altii, cum este cazul in cristal, orbitalii stratului de valenta se intrepatrund, electronii de valenta nu mai apartin unui atomi, ei devin comun atomilor intregului cristal.

Orbitalii care contin electronii invelisului exterior se contopesc dand nastere unor orbitali care se extind pe toti atomii din cristal.

4. INTERACTIUNI MOLECULARE  ─ LEGATURI MOLECULARE.

Interactiunile dintre ionii de semn contrar ,,legatura ionica”, dintre atomii metalelor ,,legatura metalica” si dintre atomii ce formeaza molecule ,,legatura covalenta” sunt legaturi chimice puternice. Se stabilesc insa forte de atractie [de legatura] si intre molecule; astfel iau nastere legaturi intermoleculare, care sunt mult mai slabe decat legaturile chimice mai sus mentionate.

Interactiile intre molecule determina urmatoarele legaturi:

legatura de hidrogen,

legatura dipol – dipol,

forte van der Waals.

4.1. Legatura de hidrogen

Legatura de hidrogen este o legatura de natura electrostatica, caracteristica substantelor care contin in molecula atomi de hidrogen legati de atomi cu afinitate mare pentru electroni si cu volum atomic mic [F,O,N].

In cazul acidului fluorhidric, HF, legatura de hidrogen se datoreste unei atractii pe care atomul de fluor, partial ionizat negativ, o exercita asupra atomului de hidrogen, partial ionizat pozitiv, din molecula vecina.

H–F…H–F…H–F…H–F…

-legatura-

sau

-punte de hidrogen-

Astfel de legatura formeaza si moleculele de apa, solvent (vehicul) des folosit la prepararea medicamentelor. Legaturile, puntile de hidrogen, se stabilesc intre atomul de hidrogen al unei molecule si atomul de oxigen al moleculei vecine.

O consecinta a legaturilor de hidrogen este formarea asociatiilor moleculare de tipul [HF]n; [H2 O]n.

Legatura de hidrogen, este cea mai puternica dintre legaturile intermoleculare si este de 10 ori mai slaba decat legatura covalenta.

4. Legatura dipol – dipol,

- se intalneste  intre moleculele polare ex. HCl, HBr, H2O. Polii de semn contrar ai moleculelor polare se atrag prin fortele de natura electrostatica. Cu cat polaritatea este mai mare, cu atat legatura va fi mai puternica. Este o legatura mai slaba decat legatura de hidrogen.

4.3. Forte de legatura van der Waals.

Intre molecule nepolare ex. Cl2, O2, F2, CH4, sau foarte putin polare ex. SO2, SCl2 se exercita forte de atractie foarte slabe, numite forte van der Waals. Fiind forte intermoleculare slabe, determina puncte de topire si fierbere scazute. Cristalele in care se exercita aceste forte au duritate mica.

Taria legaturilor dintre molecule variaza astfel:

legatura de hidrogen > legatura dipol-dipol > forte de legatura van der Waals

5. LEGATURA COORDINATIVA. COMPLECSI.

Legatura coordinativa se intalneste la formarea ionilor poliatomici, ca: NH4 H3O+, etc si la formarea unei clase de combinatii chimice importante, numite combinatii complexe. Ex. (NH4) Cl, sarurile cuaternale de amoniu s.a.

Experienta (combinatii complexe). Intr-o eprubeta se toarna o solutie de NaOH peste o solutie diluata de CuSO4 . Se formeaza un precipitat gelatinos albastru, care este hidroxidul de cupru. Precipitatul se trateaza cu o solutie apoasa de amoniac [solutie de hidroxid de amoniu] si se agita. Se obtine o solutie de culoare albastra-inchisa care contine un complex, numit: hidroxidul tetra-amoniu-cupric cu formula:

[Cu(NH3 4] (OH)2 -hidroxid tetra-amino-cupric

Ionul complex este format dintr-un ion metalic central [ex. Cu] si patru molecule de amoniac [NH3]; moleculele de amoniac care se leaga coordinativ de ionul central se numesc: liganzi. Numarul liganzilor legati coordinativ se numeste numar de coordinatie; el este in general un numar par: 2,4,6,8.

De exemplu:

[Ag(NH3 2]NO3 -azotat diaminoargintic sau nitrat-diamino-argint

[Al(OH)4]Na   -hidroxialuminat de sodiu

[Cu(NH3 4](OH)2-hidroxid tetraamoniu de cupru sau dihidroxid-tetra-amino-cupric.

Formarea combinatiilor complexe este o proprietate caracteristica metalelor tranzitionale (Cu, Fe, Ag).

In natura multe combinatii complexe au rol important in fiziologia omului, animalelor, plantelor.

Hemul – substanta rosie din sange – ia parte la transportul oxigenului in organism. Hemul este un complex cu structura complicata, care contine fier.

Clorofila – substanta verde din frunze, cu ajutorul caruia se efectuaza sinteze chimice in plante – este o substanta complexa care are in compozitie magneziu.

6. LANTURI DE ATOMI DE CARBON.

Lanturi lungi de atomi de carbon legati covalent sunt numite catene. Aceasta capacitate unica a atomilor de carbon de a se lega unul de altul in lanturi lungi face posibila existenta unui numar nelimitat de compusi organici.

Catenele de atomi de carbon se clasifica in doua grupe mari:

-catene deschise sau aciclice;

-catene ciclice (inchise).

Compusii care contin catene aciclice se numesc compusi aciclici.

Compusii ciclici contin o catena ciclica (inchisa) cu sau catena laterala.

Indiferent de natura catenei:

elementele monovalente (X, H) formeaza numai legaturi simple;

elemente divalente (O, S) formeaza atat legaturi duble cat si simple;

- elementele cu valente superioare (3 si 4) sunt singurele care pot participa la formarea legaturilor triple.