Pourquoi les atomes peuvent-ils se combiner pour former des molécules ? Quelle est la raison de l'existence possible de substances comprenant des atomes d'éléments chimiques complètement différents ? Ce sont des problèmes mondiaux qui affectent les concepts fondamentaux de la science physique et chimique moderne. Vous pouvez y répondre en ayant une idée de la structure électronique des atomes et en connaissant les caractéristiques de la liaison covalente, qui est à la base de la plupart des classes de composés. Le but de notre article est de se familiariser avec les mécanismes de formation de divers types de liaisons chimiques et les caractéristiques des propriétés des composés les contenant dans leurs molécules.
Structure électronique de l'atome
Les particules électroneutres de la matière, qui sont ses éléments structurels, ont une structure qui reflète la structure du système solaire. Comme les planètes tournent autour de l'étoile centrale - le Soleil, les électrons de l'atome se déplacent autour du noyau chargé positivement. CaractériserDans une liaison covalente, les électrons situés au dernier niveau d'énergie et les plus éloignés du noyau seront significatifs. Étant donné que leur connexion avec le centre de leur propre atome est minime, ils peuvent être facilement attirés par les noyaux d'autres atomes. Ceci est très important pour l'apparition d'interactions interatomiques conduisant à la formation de molécules. Pourquoi la forme moléculaire est-elle le principal type d'existence de la matière sur notre planète ? Découvrons.
Propriété de base des atomes
La capacité des particules électriquement neutres à interagir, entraînant un gain d'énergie, est leur caractéristique la plus importante. En effet, dans des conditions normales, l'état moléculaire de la matière est plus stable que l'état atomique. Les principales dispositions de la théorie atomique et moléculaire moderne expliquent à la fois les principes de la formation des molécules et les caractéristiques d'une liaison covalente. Rappelons que le niveau d'énergie externe d'un atome peut contenir de 1 à 8 électrons, dans ce dernier cas la couche sera complète, ce qui signifie qu'elle sera très stable. Les atomes de gaz nobles ont une telle structure de niveau externe: argon, krypton, xénon - des éléments inertes qui complètent chaque période du système de D. I. Mendeleev. L'exception ici est l'hélium, qui n'a pas 8, mais seulement 2 électrons dans le dernier niveau. La raison est simple: dans la première période, il n'y a que deux éléments dont les atomes ont une seule couche d'électrons. Tous les autres éléments chimiques ont de 1 à 7 électrons sur la dernière couche incomplète. Dans le processus d'interaction les uns avec les autres, les atomes vonts'efforcer d'être rempli d'électrons jusqu'à un octet et de restaurer la configuration d'un atome d'un élément inerte. Un tel état peut être atteint de deux manières: par la perte du sien propre ou par l'acceptation de particules étrangères chargées négativement. Ces formes d'interaction expliquent comment déterminer si une liaison ionique ou covalente se formera entre les atomes réactifs.
Mécanismes pour la formation d'une configuration électronique stable
Imaginons que deux substances simples entrent dans la réaction du composé: le sodium métallique et le chlore gazeux. Une substance de la classe des sels est formée - le chlorure de sodium. Il a une liaison chimique de type ionique. Pourquoi et comment est-il arrivé ? Revenons à la structure des atomes des substances initiales. Le sodium n'a qu'un seul électron sur la dernière couche, faiblement lié au noyau en raison du grand rayon de l'atome. L'énergie d'ionisation de tous les métaux alcalins, dont le sodium, est faible. Par conséquent, l'électron du niveau extérieur quitte le niveau d'énergie, est attiré par le noyau de l'atome de chlore et reste dans son espace. Cela crée un précédent pour la transition de l'atome de Cl sous la forme d'un ion chargé négativement. Désormais, il ne s'agit plus de particules électriquement neutres, mais de cations sodium chargés et d'anions chlore. Conformément aux lois de la physique, des forces d'attraction électrostatiques apparaissent entre eux et le composé forme un réseau cristallin ionique. Le mécanisme de formation du type ionique d'une liaison chimique que nous considérons aidera à clarifier plus clairement les spécificités et les principales caractéristiques d'une liaison covalente.
Paires d'électrons partagés
Si une liaison ionique se produit entre des atomes d'éléments dont l'électronégativité est très différente, c'est-à-dire des métaux et des non-métaux, le type covalent apparaît lorsque des atomes d'éléments non métalliques identiques ou différents interagissent. Dans le premier cas, il est d'usage de parler de non polaire, et dans l'autre, de la forme polaire d'une liaison covalente. Le mécanisme de leur formation est commun: chacun des atomes donne partiellement des électrons à usage commun, qui se combinent par paires. Mais la disposition spatiale des paires d'électrons par rapport aux noyaux des atomes sera différente. Sur cette base, les types de liaisons covalentes sont distingués - non polaires et polaires. Le plus souvent, dans les composés chimiques constitués d'atomes d'éléments non métalliques, il existe des paires constituées d'électrons de spins opposés, c'est-à-dire tournant autour de leurs noyaux dans des directions opposées. Étant donné que le mouvement des particules chargées négativement dans l'espace conduit à la formation de nuages d'électrons, qui se terminent finalement par leur chevauchement mutuel. Quelles sont les conséquences de ce processus pour les atomes et à quoi cela conduit-il ?
Propriétés physiques d'une liaison covalente
Il s'avère qu'entre les centres de deux atomes en interaction se trouve un nuage à deux électrons de haute densité. Les forces électrostatiques d'attraction entre le nuage lui-même chargé négativement et les noyaux des atomes augmentent. Une partie de l'énergie est libérée et les distances entre les centres atomiques diminuent. Par exemple, au début de la formation d'une molécule H2 la distance entre les noyaux des atomes d'hydrogèneest de 1,06 A, après le chevauchement des nuages et la formation d'une paire d'électrons commune - 0,74 A. Des exemples de liaison covalente formée selon le mécanisme ci-dessus peuvent être trouvés parmi les substances inorganiques simples et complexes. Sa principale caractéristique est la présence de paires d'électrons communes. En conséquence, après l'émergence d'une liaison covalente entre des atomes, par exemple l'hydrogène, chacun d'eux acquiert la configuration électronique de l'hélium inerte et la molécule résultante a une structure stable.
Forme spatiale d'une molécule
Une autre propriété physique très importante d'une liaison covalente est la directionnalité. Cela dépend de la configuration spatiale de la molécule de substance. Par exemple, lorsque deux électrons se superposent à un nuage sphérique, l'aspect de la molécule est linéaire (chlorure d'hydrogène ou bromure d'hydrogène). La forme des molécules d'eau, dans lesquelles les nuages s et p s'hybrident, est anguleuse, et de très fortes particules d'azote gazeux ressemblent à une pyramide.
Structure des substances simples - non-métaux
Après avoir découvert quel type de liaison est appelé covalent, quels signes il a, il est maintenant temps de s'occuper de ses variétés. Si les atomes du même non-métal - chlore, azote, oxygène, brome, etc., interagissent les uns avec les autres, les substances simples correspondantes se forment. Leurs paires d'électrons communes sont situées à la même distance des centres des atomes, sans se déplacer. Pour les composés avec un type de liaison covalente non polaire, les caractéristiques suivantes sont inhérentes: points d'ébullition bas etfusion, insolubilité dans l'eau, propriétés diélectriques. Ensuite, nous découvrirons quelles substances sont caractérisées par une liaison covalente, dans laquelle se produit un déplacement de paires d'électrons communes.
L'électronégativité et son effet sur le type de liaison chimique
La propriété d'un élément particulier d'attirer les électrons d'un atome d'un autre élément en chimie s'appelle l'électronégativité. L'échelle de valeurs de ce paramètre, proposée par L. Pauling, se trouve dans tous les manuels de chimie inorganique et générale. Sa valeur la plus élevée - 4,1 eV - a le fluor, la plus petite - les autres non-métaux actifs, et l'indicateur le plus bas est typique des métaux alcalins. Si des éléments différant par leur électronégativité réagissent les uns avec les autres, alors inévitablement un, plus actif, attirera les particules chargées négativement d'un atome d'un élément plus passif vers son noyau. Ainsi, les propriétés physiques d'une liaison covalente dépendent directement de la capacité des éléments à donner des électrons pour un usage commun. Les paires communes résultantes ne sont plus situées symétriquement par rapport aux noyaux, mais sont décalées vers l'élément le plus actif.
Caractéristiques des composés avec une liaison polaire
Les substances dans les molécules dont les paires d'électrons conjointes sont asymétriques par rapport aux noyaux des atomes comprennent les halogénures d'hydrogène, les acides, les composés de chalcogènes avec l'hydrogène et les oxydes d'acide. Ce sont les acides sulfate et nitrate, les oxydes de soufre et de phosphore, le sulfure d'hydrogène, etc. Par exemple, une molécule de chlorure d'hydrogène contient une paire d'électrons commune,formé par des électrons non appariés d'hydrogène et de chlore. Il est déplacé plus près du centre de l'atome Cl, qui est un élément plus électronégatif. Toutes les substances avec une liaison polaire dans les solutions aqueuses se dissocient en ions et conduisent un courant électrique. Les composés qui ont une liaison covalente polaire, dont nous avons donné des exemples, ont également des points de fusion et d'ébullition plus élevés que les simples substances non métalliques.
Méthodes pour rompre les liaisons chimiques
En chimie organique, les réactions de substitution d'hydrocarbures saturés par des halogènes suivent un mécanisme radicalaire. Un mélange de méthane et de chlore à la lumière et à température ordinaire réagit de telle manière que les molécules de chlore commencent à se scinder en particules portant des électrons non appariés. En d'autres termes, on observe la destruction de la paire d'électrons commune et la formation de radicaux -Cl très actifs. Ils sont capables d'influencer les molécules de méthane de manière à rompre la liaison covalente entre les atomes de carbone et d'hydrogène. Une particule active -H se forme, et la valence libre de l'atome de carbone prend un radical chlore, et le chlorométhane devient le premier produit de la réaction. Un tel mécanisme de séparation des molécules est appelé homolytique. Si la paire commune d'électrons passe complètement en possession de l'un des atomes, alors ils parlent d'un mécanisme hétérolytique caractéristique des réactions se déroulant dans des solutions aqueuses. Dans ce cas, les molécules d'eau polaires augmenteront le taux de destruction des liaisons chimiques du composé dissous.
Double et tripleliens
La grande majorité des substances organiques et certains composés inorganiques contiennent dans leurs molécules non pas une, mais plusieurs paires d'électrons communes. La multiplicité de la liaison covalente réduit la distance entre les atomes et augmente la stabilité des composés. Ils sont généralement qualifiés de résistants aux produits chimiques. Par exemple, dans une molécule d'azote, il y a trois paires d'électrons, ils sont indiqués dans la formule structurale par trois tirets et déterminent sa force. L'azote, une substance simple, est chimiquement inerte et ne peut réagir avec d'autres composés, tels que l'hydrogène, l'oxygène ou les métaux, que lorsqu'il est chauffé ou à haute pression, ainsi qu'en présence de catalyseurs.
Les doubles et triples liaisons sont inhérentes à des classes de composés organiques telles que les hydrocarbures diènes insaturés, ainsi que les substances de la série éthylène ou acétylène. Les liaisons multiples déterminent les principales propriétés chimiques: réactions d'addition et de polymérisation se produisant aux points de leur rupture.
Dans notre article, nous avons donné une description générale de la liaison covalente et examiné ses principaux types.
