El concepto de enlace químico no es de poca importancia en varios campos de la química como ciencia. Esto se debe al hecho de que es con su ayuda que los átomos individuales pueden combinarse en moléculas, formando todo tipo de sustancias que, a su vez, son objeto de investigación química.
La variedad de átomos y moléculas está asociada con la aparición de varios tipos de enlaces entre ellos. Las diferentes clases de moléculas se caracterizan por sus propias características de distribución de electrones y, por lo tanto, por sus propios tipos de enlaces.
Conceptos básicos
Un enlace químico es un conjunto de interacciones que conducen a la unión de átomos para formar partículas estables de estructura más compleja (moléculas, iones, radicales), así como agregados (cristales, vidrios, etc.). La naturaleza de estas interacciones es eléctrica y surgen durante la distribución de los electrones de valencia en los átomos que se aproximan.
Valencia suele llamarse a la capacidad de un átomo para formar un cierto número de enlaces con otros átomos. En los compuestos iónicos, el número de electrones dados o unidos se toma como valor de valencia. ENen compuestos covalentes, es igual al número de pares de electrones comunes.
El estado de oxidación se entiende como la carga condicional que podría tener un átomo si todos los enlaces covalentes polares fueran iónicos.
La multiplicidad de enlaces es el número de pares de electrones compartidos entre los átomos considerados.
Los enlaces considerados en diversas ramas de la química se pueden dividir en dos tipos de enlaces químicos: los que conducen a la formación de nuevas sustancias (intramoleculares) y los que surgen entre moléculas (intermoleculares).
Características básicas de la comunicación
La energía de enlace es la energía necesaria para romper todos los enlaces existentes en una molécula. También es la energía liberada durante la formación de enlaces.
La longitud del enlace es la distancia entre núcleos adyacentes de átomos en una molécula, en la que las fuerzas de atracción y repulsión están equilibradas.
Estas dos características del enlace químico de los átomos son una medida de su fuerza: cuanto más corta es la longitud y mayor la energía, más fuerte es el enlace.
El ángulo de enlace suele llamarse el ángulo entre las líneas representadas que pasan en la dirección del enlace a través de los núcleos de los átomos.
Métodos para describir enlaces
Los dos enfoques más comunes para explicar el enlace químico, tomados de la mecánica cuántica:
Método de los orbitales moleculares. Él considera una molécula como un conjunto de electrones y núcleos de átomos, con cada electrón individual moviéndose en el campo de acción de todos los demás electrones y núcleos. La molécula tiene una estructura orbital y todos sus electrones se distribuyen a lo largo de estas órbitas. Además, este método se llama MO LCAO, que significa "orbital molecular: una combinación lineal de orbitales atómicos".
Método de enlaces de valencia. Representa una molécula como un sistema de dos orbitales moleculares centrales. Además, cada uno de ellos corresponde a un enlace entre dos átomos adyacentes en la molécula. El método se basa en las siguientes disposiciones:
- La formación de un enlace químico se lleva a cabo por un par de electrones con espines opuestos, que se encuentran entre los dos átomos considerados. El par de electrones formado pertenece a dos átomos por igual.
- El número de enlaces formados por uno u otro átomo es igual al número de electrones desapareados en el estado fundamental y excitado.
- Si los pares de electrones no participan en la formación de un enlace, se denominan pares solitarios.
Electronegatividad
Es posible determinar el tipo de enlace químico en las sustancias en función de la diferencia en los valores de electronegatividad de sus átomos constituyentes. La electronegatividad se entiende como la capacidad de los átomos para atraer pares de electrones comunes (nube de electrones), lo que conduce a la polarización del enlace.
Hay varias formas de determinar los valores de la electronegatividad de los elementos químicos. Sin embargo, la más utilizada es la escala basada en datos termodinámicos, que fue propuesta en 1932 por L. Pauling.
Cuanto mayor es la diferencia en la electronegatividad de los átomos, más pronunciada es su ionicidad. Por el contrario, valores de electronegatividad iguales o cercanos indican la naturaleza covalente del enlace. En otras palabras, es posible determinar matemáticamente qué enlace químico se observa en una molécula en particular. Para hacer esto, necesitas calcular ΔX - la diferencia en la electronegatividad de los átomos de acuerdo con la fórmula: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Si ΔХ>1, 7, entonces el enlace es iónico.
- Si 0.5≦ΔХ≦1.7, entonces el enlace covalente es polar.
- Si ΔХ=0 o casi, entonces el enlace es covalente no polar.
Enlace iónico
Iónico es un enlace que aparece entre iones o debido a la extracción completa de un par de electrones común por parte de uno de los átomos. En las sustancias, este tipo de enlace químico se lleva a cabo por fuerzas de atracción electrostática.
Los iones son partículas cargadas formadas a partir de átomos como resultado de la ganancia o pérdida de electrones. Cuando un átomo acepta electrones, adquiere una carga negativa y se convierte en un anión. Si un átomo dona electrones de valencia, se convierte en una partícula cargada positivamente llamada catión.
Es característico de los compuestos formados por la interacción de átomos de metales típicos con átomos de no metales típicos. Lo principal de este proceso es la aspiración de los átomos a adquirir configuraciones electrónicas estables. Y para esto, los metales y no metales típicos necesitan dar o aceptar solo 1-2 electrones,lo cual hacen con facilidad.
El mecanismo de formación de un enlace químico iónico en una molécula se considera tradicionalmente utilizando el ejemplo de la interacción del sodio y el cloro. Los átomos de metales alcalinos donan fácilmente un electrón atraído por un átomo de halógeno. El resultado es el catión Na+ y el anión Cl-, que se mantienen unidos por atracción electrostática.
No existe un enlace iónico ideal. Incluso en tales compuestos, que a menudo se denominan iónicos, no se produce la transferencia final de electrones de un átomo a otro. El par de electrones formado sigue siendo de uso común. Por lo tanto, hablan del grado de ionicidad de un enlace covalente.
El enlace iónico se caracteriza por dos propiedades principales relacionadas entre sí:
- no direccional, es decir, el campo eléctrico alrededor del ion tiene forma de esfera;
- La insaturación, es decir, la cantidad de iones de carga opuesta que se pueden colocar alrededor de cualquier ion, está determinada por su tamaño.
Enlace químico covalente
El enlace que se forma cuando las nubes de electrones de los átomos no metálicos se superponen, es decir, cuando se lleva a cabo por un par de electrones común, se denomina enlace covalente. El número de pares de electrones compartidos determina la multiplicidad del enlace. Así, los átomos de hidrógeno están unidos por un solo enlace H··H, y los átomos de oxígeno forman un doble enlace O::O.
Existen dos mecanismos para su formación:
- Intercambio - cada átomo representa un electrón para la formación de un par común: A +B=A: B, mientras que la conexión implica orbitales atómicos externos, en los que se encuentra un electrón.
- Donante-aceptor - para formar un enlace, uno de los átomos (donante) proporciona un par de electrones, y el segundo (aceptor) - un orbital libre para su colocación: A +:B=A:B.
Las formas en que las nubes de electrones se superponen cuando se forma un enlace químico covalente también son diferentes.
- Directo. La región de superposición de nubes se encuentra en una línea recta imaginaria que conecta los núcleos de los átomos considerados. En este caso, se forman enlaces σ. El tipo de enlace químico que ocurre en este caso depende del tipo de nubes de electrones que se superponen: enlaces s-s, s-p, p-p, s-d o p-d σ. En una partícula (molécula o ion), solo puede ocurrir un enlace σ entre dos átomos vecinos.
- Lado. Se lleva a cabo en ambos lados de la línea que conecta los núcleos de los átomos. Así es como se forma un enlace π, y sus variedades también son posibles: p-p, p-d, d-d. Aparte del enlace σ, el enlace π nunca se forma; puede estar en moléculas que contienen enlaces múltiples (dobles y triples).
Propiedades del enlace covalente
Determinan las características químicas y físicas de los compuestos. Las principales propiedades de cualquier enlace químico en las sustancias son su direccionalidad, polaridad y polarizabilidad, así como la saturación.
La direccionalidad del enlace determina las características de la moléculala estructura de las sustancias y la forma geométrica de sus moléculas. Su esencia radica en el hecho de que la mejor superposición de nubes de electrones es posible con una cierta orientación en el espacio. Las opciones para la formación de enlaces σ y π ya se han considerado anteriormente.
La saturación se entiende como la capacidad de los átomos para formar un cierto número de enlaces químicos en una molécula. El número de enlaces covalentes de cada átomo está limitado por el número de orbitales externos.
La polaridad del enlace depende de la diferencia en los valores de electronegatividad de los átomos. Determina la uniformidad de la distribución de electrones entre los núcleos de los átomos. Un enlace covalente sobre esta base puede ser polar o no polar.
- Si el par de electrones común pertenece por igual a cada uno de los átomos y se encuentra a la misma distancia de sus núcleos, entonces el enlace covalente es no polar.
- Si el par común de electrones se desplaza hacia el núcleo de uno de los átomos, se forma un enlace químico polar covalente.
La polarizabilidad se expresa por el desplazamiento de electrones de enlace bajo la acción de un campo eléctrico externo, que puede pertenecer a otra partícula, enlaces vecinos en la misma molécula, o provenir de fuentes externas de campos electromagnéticos. Entonces, un enlace covalente bajo su influencia puede cambiar su polaridad.
Bajo la hibridación de orbitales entendemos el cambio de sus formas en la realización de un enlace químico. Esto es necesario para lograr la superposición más efectiva. Existen los siguientes tipos de hibridación:
- sp3. Un orbital s y tres p forman cuatroorbitales "híbridos" de la misma forma. Exteriormente, se asemeja a un tetraedro con un ángulo entre los ejes de 109 °.
- sp2. Un orbital s y dos p forman un triángulo plano con un ángulo entre los ejes de 120°.
- sp. Un orbital s y otro p forman dos orbitales "híbridos" con un ángulo entre sus ejes de 180°.
Enlace metálico
Una característica de la estructura de los átomos metálicos es un radio bastante grande y la presencia de una pequeña cantidad de electrones en los orbitales exteriores. Como resultado, en tales elementos químicos, el enlace entre el núcleo y los electrones de valencia es relativamente débil y se rompe fácilmente.
El enlace metálico es una interacción de este tipo entre átomos e iones metálicos, que se lleva a cabo con la ayuda de electrones deslocalizados.
En las partículas metálicas, los electrones de valencia pueden abandonar fácilmente los orbitales externos, así como ocupar lugares vacíos en ellos. Así, en tiempos diferentes, la misma partícula puede ser un átomo y un ion. Los electrones arrancados de ellos se mueven libremente por todo el volumen de la red cristalina y realizan un enlace químico.
Este tipo de enlace tiene similitudes con el iónico y el covalente. Al igual que para los iónicos, los iones son necesarios para la existencia de un enlace metálico. Pero si para la implementación de la interacción electrostática en el primer caso, se necesitan cationes y aniones, en el segundo, los electrones desempeñan el papel de partículas cargadas negativamente. Si comparamos un enlace metálico con un enlace covalente, entonces la formación de ambos requiere electrones comunes. Sin embargo, ena diferencia de un enlace químico polar, no están localizados entre dos átomos, sino que pertenecen a todas las partículas de metal en la red cristalina.
Los enlaces metálicos son responsables de las propiedades especiales de casi todos los metales:
- plasticidad, presente debido a la posibilidad de desplazamiento de capas de átomos en la red cristalina sostenida por gas de electrones;
- brillo metálico, que se observa debido a la reflexión de los rayos de luz de los electrones (en el estado de polvo no hay una red cristalina y, por lo tanto, los electrones se mueven a lo largo de ella);
- conductividad eléctrica, que se lleva a cabo por una corriente de partículas cargadas, y en este caso, pequeños electrones se mueven libremente entre grandes iones metálicos;
- conductividad térmica, observada debido a la capacidad de los electrones para transferir calor.
Enlace de hidrógeno
Este tipo de enlace químico a veces se denomina intermedio entre la interacción covalente y la intermolecular. Si un átomo de hidrógeno tiene un enlace con uno de los elementos fuertemente electronegativos (como fósforo, oxígeno, cloro, nitrógeno), entonces puede formar un enlace adicional, llamado hidrógeno.
Es mucho más débil que todos los tipos de enlaces considerados anteriormente (la energía no supera los 40 kJ/mol), pero no se puede despreciar. Es por eso que el enlace químico del hidrógeno en el diagrama parece una línea punteada.
La aparición de un enlace de hidrógeno es posible debido a la interacción electrostática donante-aceptor al mismo tiempo. Gran diferencia de valoresla electronegatividad conduce a la aparición de un exceso de densidad electrónica en los átomos O, N, F y otros, así como a su f alta en el átomo de hidrógeno. En el caso de que no exista un enlace químico entre dichos átomos, las fuerzas de atracción se activan si están lo suficientemente cerca. En este caso, el protón es un aceptor de pares de electrones y el segundo átomo es un donante.
Los enlaces de hidrógeno pueden ocurrir entre moléculas vecinas, por ejemplo, agua, ácidos carboxílicos, alcoholes, amoníaco, y dentro de una molécula, por ejemplo, ácido salicílico.
La presencia de un enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua explica varias de sus propiedades físicas únicas:
- Los valores de su capacidad calorífica, constante dieléctrica, puntos de ebullición y fusión, de acuerdo con los cálculos, deberían ser mucho menores que los reales, lo que se explica por la unión de moléculas y la necesidad de gastar energía para romper los enlaces de hidrógeno intermoleculares.
- A diferencia de otras sustancias, cuando baja la temperatura, el volumen de agua aumenta. Esto se debe al hecho de que las moléculas ocupan una cierta posición en la estructura cristalina del hielo y se alejan unas de otras por la longitud del enlace de hidrógeno.
Esta conexión juega un papel especial para los organismos vivos, ya que su presencia en las moléculas de proteína determina su estructura especial y, por lo tanto, sus propiedades. Además, los ácidos nucleicos, que forman la doble hélice del ADN, también están conectados con precisión mediante enlaces de hidrógeno.
Comunicaciones en cristales
La gran mayoría de los sólidos tienen una red cristalina - una especialla disposición mutua de las partículas que los forman. En este caso, se observa la periodicidad tridimensional y los átomos, moléculas o iones se ubican en los nodos, que están conectados por líneas imaginarias. Según la naturaleza de estas partículas y los enlaces entre ellas, todas las estructuras cristalinas se dividen en atómicas, moleculares, iónicas y metálicas.
Hay cationes y aniones en los nodos de la red cristalina iónica. Además, cada uno de ellos está rodeado por un número estrictamente definido de iones con solo la carga opuesta. Un ejemplo típico es el cloruro de sodio (NaCl). Tienden a tener puntos de fusión y dureza altos, ya que requieren mucha energía para romperse.
Las moléculas de sustancias formadas por un enlace covalente se ubican en los nodos de la red cristalina molecular (por ejemplo, I2). Están conectados entre sí por una interacción débil de van der Waals y, por lo tanto, dicha estructura es fácil de destruir. Dichos compuestos tienen puntos de ebullición y de fusión bajos.
La red cristalina atómica está formada por átomos de elementos químicos con altos valores de valencia. Están conectados por fuertes enlaces covalentes, lo que significa que las sustancias tienen altos puntos de ebullición, puntos de fusión y alta dureza. Un ejemplo es un diamante.
Así, todos los tipos de enlaces que se encuentran en los productos químicos tienen sus propias características, que explican las complejidades de la interacción de partículas en moléculas y sustancias. Las propiedades de los compuestos dependen de ellos. Determinan todos los procesos que ocurren en el medio ambiente.
