Le concept de liaison chimique n'est pas sans importance dans divers domaines de la chimie en tant que science. Cela est dû au fait que c'est avec son aide que les atomes individuels peuvent se combiner en molécules, formant toutes sortes de substances, qui, à leur tour, font l'objet de recherches chimiques.
La variété des atomes et des molécules est associée à l'émergence de divers types de liaisons entre eux. Différentes classes de molécules sont caractérisées par leurs propres caractéristiques de distribution des électrons, et donc leurs propres types de liaisons.
Concepts de base
Une liaison chimique est un ensemble d'interactions qui conduisent à la liaison d'atomes pour former des particules stables de structure plus complexe (molécules, ions, radicaux), ainsi que des agrégats (cristaux, verres, etc.). La nature de ces interactions est de nature électrique et elles surviennent lors de la distribution des électrons de valence dans les atomes qui s'approchent.
La valence est généralement appelée la capacité d'un atome à former un certain nombre de liaisons avec d'autres atomes. Dans les composés ioniques, le nombre d'électrons donnés ou attachés est pris comme valeur de valence. Àdans les composés covalents, il est égal au nombre de paires d'électrons communes.
L'état d'oxydation est compris comme la charge conditionnelle qui pourrait être sur un atome si toutes les liaisons covalentes polaires étaient ioniques.
La multiplicité des liaisons est le nombre de paires d'électrons partagés entre les atomes considérés.
Les liaisons considérées dans diverses branches de la chimie peuvent être divisées en deux types de liaisons chimiques: celles qui conduisent à la formation de nouvelles substances (intramoléculaires) et celles qui se forment entre les molécules (intermoléculaires).
Caractéristiques de communication de base
L'énergie de liaison est l'énergie nécessaire pour rompre toutes les liaisons existantes dans une molécule. C'est aussi l'énergie libérée lors de la formation de la liaison.
La longueur de la liaison est la distance entre les noyaux adjacents d'atomes dans une molécule, à laquelle les forces d'attraction et de répulsion sont équilibrées.
Ces deux caractéristiques de la liaison chimique des atomes sont une mesure de sa force: plus la longueur est courte et plus l'énergie est grande, plus la liaison est forte.
L'angle de liaison est généralement appelé l'angle entre les lignes représentées passant dans le sens de la liaison à travers les noyaux des atomes.
Méthodes de description des liens
Les deux approches les plus courantes pour expliquer la liaison chimique, empruntées à la mécanique quantique:
Méthode des orbitales moléculaires. Il considère une molécule comme un ensemble d'électrons et de noyaux d'atomes, chaque électron individuel se déplaçant dans le champ d'action de tous les autres électrons et noyaux. La molécule a une structure orbitale et tous ses électrons sont répartis le long de ces orbites. En outre, cette méthode s'appelle MO LCAO, qui signifie "orbitale moléculaire - une combinaison linéaire d'orbitales atomiques".
Méthode des liaisons de valence. Représente une molécule comme un système de deux orbitales moléculaires centrales. De plus, chacun d'eux correspond à une liaison entre deux atomes adjacents dans la molécule. La méthode est basée sur les dispositions suivantes:
- La formation d'une liaison chimique est réalisée par une paire d'électrons de spins opposés, situés entre les deux atomes considérés. La paire d'électrons formée appartient à deux atomes de manière égale.
- Le nombre de liaisons formées par l'un ou l'autre atome est égal au nombre d'électrons non appariés à l'état fondamental et excité.
- Si les paires d'électrons ne participent pas à la formation d'une liaison, alors elles sont appelées paires isolées.
Électronégativité
Il est possible de déterminer le type de liaison chimique dans les substances en fonction de la différence des valeurs d'électronégativité de ses atomes constitutifs. L'électronégativité est comprise comme la capacité des atomes à attirer des paires d'électrons communes (nuage d'électrons), ce qui conduit à la polarisation des liaisons.
Il existe différentes manières de déterminer les valeurs de l'électronégativité des éléments chimiques. Cependant, la plus couramment utilisée est l'échelle basée sur les données thermodynamiques, qui a été proposée en 1932 par L. Pauling.
Plus la différence d'électronégativité des atomes est grande, plus son ionicité est prononcée. Au contraire, des valeurs d'électronégativité égales ou proches indiquent la nature covalente de la liaison. En d'autres termes, il est possible de déterminer mathématiquement quelle liaison chimique est observée dans une molécule particulière. Pour ce faire, vous devez calculer ΔX - la différence d'électronégativité des atomes selon la formule: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Si ΔХ>1, 7, alors la liaison est ionique.
- Si 0.5≦ΔХ≦1.7, alors la liaison covalente est polaire.
- Si ΔХ=0 ou proche de celui-ci, alors la liaison est covalente non polaire.
Liaison ionique
Ionic est une telle liaison qui apparaît entre les ions ou en raison du retrait complet d'une paire d'électrons commune par l'un des atomes. Dans les substances, ce type de liaison chimique est réalisé par des forces d'attraction électrostatique.
Les ions sont des particules chargées formées à partir d'atomes à la suite d'un gain ou d'une perte d'électrons. Lorsqu'un atome accepte des électrons, il acquiert une charge négative et devient un anion. Si un atome donne des électrons de valence, il devient une particule chargée positivement appelée cation.
Il est caractéristique des composés formés par l'interaction d'atomes de métaux typiques avec des atomes de non-métaux typiques. L'essentiel de ce processus est l'aspiration des atomes à acquérir des configurations électroniques stables. Et pour cela, les métaux et non-métaux typiques doivent donner ou accepter seulement 1-2 électrons,ce qu'ils font avec facilité.
Le mécanisme de formation d'une liaison chimique ionique dans une molécule est traditionnellement considéré à l'aide de l'exemple de l'interaction du sodium et du chlore. Les atomes de métaux alcalins donnent facilement un électron tiré par un atome d'halogène. Le résultat est le cation Na+ et l'anion Cl-, qui sont maintenus ensemble par attraction électrostatique.
Il n'y a pas de liaison ionique idéale. Même dans de tels composés, qui sont souvent appelés ioniques, le transfert final d'électrons d'atome à atome ne se produit pas. La paire d'électrons formée reste encore d'usage courant. Par conséquent, ils parlent du degré d'ionicité d'une liaison covalente.
La liaison ionique se caractérise par deux propriétés principales liées l'une à l'autre:
- non directionnel, c'est-à-dire que le champ électrique autour de l'ion a la forme d'une sphère;
- L'insaturation, c'est-à-dire le nombre d'ions chargés de manière opposée qui peuvent être placés autour de n'importe quel ion, est déterminée par leur taille.
Liaison chimique covalente
La liaison formée lorsque les nuages d'électrons d'atomes non métalliques se chevauchent, c'est-à-dire réalisée par une paire d'électrons commune, est appelée liaison covalente. Le nombre de paires d'électrons partagés détermine la multiplicité de la liaison. Ainsi, les atomes d'hydrogène sont liés par une simple liaison H··H et les atomes d'oxygène forment une double liaison O::O.
Il existe deux mécanismes pour sa formation:
- Échange - chaque atome représente un électron pour la formation d'une paire commune: A +B=A: B, tandis que la connexion implique des orbitales atomiques externes, sur lesquelles se trouve un électron.
- Donneur-accepteur - pour former une liaison, l'un des atomes (donneur) fournit une paire d'électrons, et le second (accepteur) - une orbitale libre pour son placement: A +:B=A:B.
La façon dont les nuages d'électrons se chevauchent lorsqu'une liaison chimique covalente est formée est également différente.
- Directe. La région de chevauchement des nuages se situe sur une ligne droite imaginaire reliant les noyaux des atomes considérés. Dans ce cas, des liaisons σ sont formées. Le type de liaison chimique qui se produit dans ce cas dépend du type de nuages d'électrons subissant un chevauchement: liaisons σ s-s, s-p, p-p, s-d ou p-d. Dans une particule (molécule ou ion), une seule liaison σ peut se produire entre deux atomes voisins.
- Côté. Elle s'effectue de part et d'autre de la ligne reliant les noyaux des atomes. C'est ainsi qu'une liaison π se forme, et ses variétés sont également possibles: p-p, p-d, d-d. Séparée de la liaison σ, la liaison π n'est jamais formée; elle peut se trouver dans des molécules contenant plusieurs liaisons (doubles et triples).
Propriétés des liaisons covalentes
Ils déterminent les caractéristiques chimiques et physiques des composés. Les principales propriétés de toute liaison chimique dans les substances sont sa directionnalité, sa polarité et sa polarisabilité, ainsi que sa saturation.
La directionnalité de la liaison détermine les caractéristiques de la moléculela structure des substances et la forme géométrique de leurs molécules. Son essence réside dans le fait que le meilleur chevauchement des nuages d'électrons est possible avec une certaine orientation dans l'espace. Les options pour la formation de liaisons σ et π ont déjà été envisagées ci-dessus.
La saturation est comprise comme la capacité des atomes à former un certain nombre de liaisons chimiques dans une molécule. Le nombre de liaisons covalentes pour chaque atome est limité par le nombre d'orbitales externes.
La polarité de la liaison dépend de la différence des valeurs d'électronégativité des atomes. Il détermine l'uniformité de la distribution des électrons entre les noyaux des atomes. Une liaison covalente sur cette base peut être polaire ou non polaire.
- Si la paire d'électrons commune appartient également à chacun des atomes et est située à la même distance de leurs noyaux, alors la liaison covalente est non polaire.
- Si la paire commune d'électrons est déplacée vers le noyau de l'un des atomes, une liaison chimique polaire covalente se forme.
La polarisabilité s'exprime par le déplacement d'électrons de liaison sous l'action d'un champ électrique externe, qui peut appartenir à une autre particule, à des liaisons voisines dans la même molécule, ou provenir de sources externes de champs électromagnétiques. Ainsi, une liaison covalente sous leur influence peut changer de polarité.
Sous l'hybridation des orbitales comprendre le changement de leurs formes dans la mise en place d'une liaison chimique. Ceci est nécessaire pour obtenir le chevauchement le plus efficace. Il existe les types d'hybridation suivants:
- sp3. Une orbitale s et trois orbitales p forment quatreorbitales "hybrides" de même forme. Extérieurement, il ressemble à un tétraèdre avec un angle entre les axes de 109 °.
- sp2. Une orbitale s et deux orbitales p forment un triangle plat avec un angle entre les axes de 120°.
- sp. Une orbitale s et une orbitale p forment deux orbitales « hybrides » avec un angle entre leurs axes de 180°.
Lien métallique
Une caractéristique de la structure des atomes métalliques est un rayon assez grand et la présence d'un petit nombre d'électrons dans les orbitales externes. En conséquence, dans de tels éléments chimiques, la liaison entre le noyau et les électrons de valence est relativement faible et facilement rompue.
La liaison métallique est une telle interaction entre des atomes métalliques et des ions, qui s'effectue à l'aide d'électrons délocalisés.
Dans les particules métalliques, les électrons de valence peuvent facilement quitter les orbitales externes et y occuper des places vacantes. Ainsi, à des instants différents, une même particule peut être un atome et un ion. Les électrons qui leur sont arrachés se déplacent librement dans tout le volume du réseau cristallin et réalisent une liaison chimique.
Ce type de liaison présente des similitudes avec les liaisons ioniques et covalentes. De même que pour les ioniques, les ions sont nécessaires à l'existence d'une liaison métallique. Mais si pour la mise en œuvre de l'interaction électrostatique dans le premier cas, des cations et des anions sont nécessaires, alors dans le second, le rôle des particules chargées négativement est joué par les électrons. Si nous comparons une liaison métallique à une liaison covalente, la formation des deux nécessite des électrons communs. Cependant, danscontrairement à une liaison chimique polaire, ils ne sont pas localisés entre deux atomes, mais appartiennent à toutes les particules métalliques du réseau cristallin.
Les liaisons métalliques sont responsables des propriétés particulières de presque tous les métaux:
- plasticité, présente en raison de la possibilité de déplacement de couches d'atomes dans le réseau cristallin maintenu par le gaz d'électrons;
- éclat métallique, qui est observé en raison de la réflexion des rayons lumineux des électrons (à l'état de poudre, il n'y a pas de réseau cristallin et, par conséquent, les électrons se déplacent le long de celui-ci);
- la conductivité électrique, qui est réalisée par un flux de particules chargées, et dans ce cas, les petits électrons se déplacent librement parmi les gros ions métalliques;
- conductivité thermique, observée en raison de la capacité des électrons à transférer de la chaleur.
Liaison hydrogène
Ce type de liaison chimique est parfois appelé un intermédiaire entre l'interaction covalente et intermoléculaire. Si un atome d'hydrogène a une liaison avec l'un des éléments fortement électronégatifs (tels que le phosphore, l'oxygène, le chlore, l'azote), alors il est capable de former une liaison supplémentaire, appelée hydrogène.
Il est beaucoup plus faible que tous les types de liaisons considérés ci-dessus (l'énergie n'est pas supérieure à 40 kJ/mol), mais il ne peut être négligé. C'est pourquoi la liaison chimique hydrogène dans le diagramme ressemble à une ligne pointillée.
L'apparition d'une liaison hydrogène est possible en raison de l'interaction électrostatique donneur-accepteur en même temps. Grande différence de valeursl'électronégativité conduit à l'apparition d'un excès de densité électronique sur les atomes O, N, F et autres, ainsi qu'à son manque sur l'atome d'hydrogène. Dans le cas où il n'y a pas de liaison chimique existante entre de tels atomes, les forces attractives sont activées si elles sont suffisamment proches. Dans ce cas, le proton est un accepteur de paire d'électrons et le second atome est un donneur.
La liaison hydrogène peut se produire à la fois entre des molécules voisines, par exemple, l'eau, les acides carboxyliques, les alcools, l'ammoniac, et au sein d'une molécule, par exemple, l'acide salicylique.
La présence d'une liaison hydrogène entre les molécules d'eau explique un certain nombre de ses propriétés physiques uniques:
- Les valeurs de sa capacité calorifique, de sa constante diélectrique, de ses points d'ébullition et de fusion, conformément aux calculs, devraient être bien inférieures aux valeurs réelles, ce qui s'explique par la liaison des molécules et la nécessité de dépenser énergie pour rompre les liaisons hydrogène intermoléculaires.
- Contrairement à d'autres substances, lorsque la température baisse, le volume d'eau augmente. Cela est dû au fait que les molécules occupent une certaine position dans la structure cristalline de la glace et s'éloignent les unes des autres de la longueur de la liaison hydrogène.
Cette connexion joue un rôle particulier pour les organismes vivants, puisque sa présence dans les molécules de protéines détermine leur structure particulière, et donc leurs propriétés. De plus, les acides nucléiques, constituant la double hélice de l'ADN, sont également reliés précisément par des liaisons hydrogène.
Communications en cristaux
La grande majorité des solides ont un réseau cristallin - un réseau spéciall'arrangement mutuel des particules qui les composent. Dans ce cas, une périodicité tridimensionnelle est observée et des atomes, des molécules ou des ions sont situés aux nœuds, qui sont reliés par des lignes imaginaires. Selon la nature de ces particules et les liaisons entre elles, toutes les structures cristallines sont divisées en atomes, moléculaires, ioniques et métalliques.
Il y a des cations et des anions dans les nœuds du réseau cristallin ionique. De plus, chacun d'eux est entouré d'un nombre strictement défini d'ions ayant seulement la charge opposée. Un exemple typique est le chlorure de sodium (NaCl). Ils ont tendance à avoir des points de fusion et une dureté élevés car ils nécessitent beaucoup d'énergie pour se casser.
Les molécules de substances formées par une liaison covalente sont situées aux nœuds du réseau cristallin moléculaire (par exemple, I2). Ils sont reliés les uns aux autres par une faible interaction de van der Waals, et par conséquent, une telle structure est facile à détruire. Ces composés ont des points d'ébullition et de fusion bas.
Le réseau cristallin atomique est formé d'atomes d'éléments chimiques avec des valeurs de valence élevées. Ils sont reliés par de fortes liaisons covalentes, ce qui signifie que les substances ont des points d'ébullition, des points de fusion et une dureté élevés. Un exemple est un diamant.
Ainsi, tous les types de liaisons présentes dans les produits chimiques ont leurs propres caractéristiques, ce qui explique la complexité de l'interaction des particules dans les molécules et les substances. Les propriétés des composés en dépendent. Ils déterminent tous les processus se produisant dans l'environnement.
