¿Por qué los átomos pueden combinarse entre sí para formar moléculas? ¿Cuál es la razón de la posible existencia de sustancias, que incluyen átomos de elementos químicos completamente diferentes? Estos son problemas globales que afectan los conceptos fundamentales de la ciencia física y química moderna. Puede responderlas teniendo una idea sobre la estructura electrónica de los átomos y conociendo las características del enlace covalente, que es la base básica para la mayoría de las clases de compuestos. El propósito de nuestro artículo es familiarizarse con los mecanismos de formación de varios tipos de enlaces químicos y las características de las propiedades de los compuestos que los contienen en sus moléculas.
Estructura electrónica del átomo
Las partículas de materia electroneutras, que son sus elementos estructurales, tienen una estructura que refleja la estructura del sistema solar. Como los planetas giran alrededor de la estrella central, el Sol, los electrones en el átomo se mueven alrededor del núcleo cargado positivamente. Para caracterizarEn un enlace covalente serán significativos los electrones situados en el último nivel de energía y más alejados del núcleo. Dado que su conexión con el centro de su propio átomo es mínima, pueden ser atraídos fácilmente por los núcleos de otros átomos. Esto es muy importante para que se produzcan interacciones interatómicas que conduzcan a la formación de moléculas. ¿Por qué la forma molecular es el principal tipo de existencia de la materia en nuestro planeta? Vamos a averiguarlo.
Propiedad básica de los átomos
La capacidad de interacción de las partículas eléctricamente neutras, lo que conduce a una ganancia de energía, es su característica más importante. De hecho, en condiciones normales, el estado molecular de la materia es más estable que el estado atómico. Las principales disposiciones de la teoría atómica y molecular moderna explican tanto los principios de la formación de moléculas como las características de un enlace covalente. Recuerda que el nivel de energía exterior de un átomo puede contener de 1 a 8 electrones, en este último caso la capa estará completa, lo que significa que será muy estable. Los átomos de gases nobles tienen una estructura de nivel externo: argón, criptón, xenón, elementos inertes que completan cada período en el sistema de D. I. Mendeleev. La excepción aquí es el helio, que no tiene 8, sino solo 2 electrones en el último nivel. La razón es simple: en el primer período solo hay dos elementos cuyos átomos tienen una sola capa de electrones. Todos los demás elementos químicos tienen de 1 a 7 electrones en la última capa incompleta. En el proceso de interactuar entre sí, los átomosesforzarse por llenarse de electrones hasta un octeto y restaurar la configuración de un átomo de un elemento inerte. Tal estado puede lograrse de dos maneras: por la pérdida del propio o por la aceptación de partículas extrañas cargadas negativamente. Estas formas de interacción explican cómo determinar si se formará un enlace iónico o covalente entre los átomos que reaccionan.
Mecanismos para la formación de una configuración electrónica estable
Imaginemos que en la reacción del compuesto entran dos sustancias simples: el sodio metálico y el cloro gaseoso. Se forma una sustancia de la clase de sales: cloruro de sodio. Tiene un tipo iónico de enlace químico. ¿Por qué y cómo surgió? Volvamos de nuevo a la estructura de los átomos de las sustancias iniciales. El sodio tiene un solo electrón en la última capa, débilmente unido al núcleo debido al gran radio del átomo. La energía de ionización de todos los metales alcalinos, incluido el sodio, es baja. Por lo tanto, el electrón del nivel exterior sale del nivel de energía, es atraído por el núcleo del átomo de cloro y permanece en su espacio. Esto crea un precedente para la transición del átomo de Cl a la forma de un ion con carga negativa. Ahora ya no se trata de partículas eléctricamente neutras, sino de cationes de sodio cargados y aniones de cloro. De acuerdo con las leyes de la física, surgen fuerzas de atracción electrostática entre ellos y el compuesto forma una red cristalina iónica. El mecanismo de formación del tipo iónico de un enlace químico considerado por nosotros ayudará a aclarar más claramente los detalles y las características principales de un enlace covalente.
Pares de electrones compartidos
Si se produce un enlace iónico entre átomos de elementos que son muy diferentes en electronegatividad, es decir, metales y no metales, entonces el tipo covalente aparece cuando interactúan átomos del mismo o diferentes elementos no metálicos. En el primer caso, se acostumbra hablar de no polar, y en el otro, de la forma polar de un enlace covalente. El mecanismo de su formación es común: cada uno de los átomos cede parcialmente electrones de uso común, que se combinan en pares. Pero la disposición espacial de los pares de electrones en relación con los núcleos de los átomos será diferente. Sobre esta base, se distinguen los tipos de enlaces covalentes: no polares y polares. Muy a menudo, en los compuestos químicos que consisten en átomos de elementos no metálicos, hay pares que consisten en electrones con espines opuestos, es decir, que giran alrededor de sus núcleos en direcciones opuestas. Dado que el movimiento de partículas cargadas negativamente en el espacio conduce a la formación de nubes de electrones, que finalmente terminan en su superposición mutua. ¿Cuáles son las consecuencias de este proceso para los átomos y a qué conduce?
Propiedades físicas de un enlace covalente
Resulta que entre los centros de dos átomos que interactúan hay una nube de dos electrones con una alta densidad. Las fuerzas electrostáticas de atracción entre la propia nube cargada negativamente y los núcleos de los átomos aumentan. Se libera una parte de la energía y disminuyen las distancias entre los centros atómicos. Por ejemplo, al comienzo de la formación de una molécula H2 la distancia entre los núcleos de los átomos de hidrógenoes 1.06 A, después de la superposición de nubes y la formación de un par de electrones común - 0.74 A. Se pueden encontrar ejemplos de un enlace covalente formado de acuerdo con el mecanismo anterior tanto entre sustancias inorgánicas simples como complejas. Su principal característica distintiva es la presencia de pares de electrones comunes. Como resultado, después de la aparición de un enlace covalente entre los átomos, por ejemplo, el hidrógeno, cada uno de ellos adquiere la configuración electrónica del helio inerte y la molécula resultante tiene una estructura estable.
Forma espacial de una molécula
Otra propiedad física muy importante de un enlace covalente es la direccionalidad. Depende de la configuración espacial de la molécula de sustancia. Por ejemplo, cuando dos electrones se superponen con una nube esférica, la apariencia de la molécula es lineal (cloruro de hidrógeno o bromuro de hidrógeno). La forma de las moléculas de agua, en las que se hibridan las nubes s y p, es angular, y las partículas muy fuertes de nitrógeno gaseoso parecen una pirámide.
Estructura de sustancias simples - no metales
Habiendo descubierto qué tipo de enlace se llama covalente, qué signos tiene, ahora es el momento de tratar con sus variedades. Si los átomos del mismo no metal (cloro, nitrógeno, oxígeno, bromo, etc.) interactúan entre sí, se forman las sustancias simples correspondientes. Sus pares de electrones comunes se encuentran a la misma distancia de los centros de los átomos, sin desplazamiento. Para los compuestos con un tipo de enlace covalente no polar, las siguientes características son inherentes: bajos puntos de ebullición yfusión, insolubilidad en agua, propiedades dieléctricas. A continuación, descubriremos qué sustancias se caracterizan por un enlace covalente, en el que se produce un desplazamiento de pares de electrones comunes.
Electronegatividad y su efecto en el tipo de enlace químico
La propiedad de un elemento particular de atraer electrones de un átomo de otro elemento en química se llama electronegatividad. La escala de valores para este parámetro, propuesta por L. Pauling, se puede encontrar en todos los libros de texto sobre química inorgánica y general. Su valor más alto, 4,1 eV, tiene flúor, el más pequeño, otros no metales activos, y el indicador más bajo es típico de los metales alcalinos. Si los elementos que difieren en su electronegatividad reaccionan entre sí, entonces, inevitablemente, uno más activo atraerá a su núcleo partículas cargadas negativamente de un átomo de un elemento más pasivo. Así, las propiedades físicas de un enlace covalente dependen directamente de la capacidad de los elementos para donar electrones para uso común. Los pares comunes resultantes ya no se ubican simétricamente con respecto a los núcleos, sino que se desplazan hacia el elemento más activo.
Características de los compuestos con enlace polar
Las sustancias en moléculas cuyos pares de electrones conjuntos son asimétricos con respecto a los núcleos de los átomos incluyen haluros de hidrógeno, ácidos, compuestos de calcógenos con hidrógeno y óxidos de ácido. Estos son ácidos de sulfato y nitrato, óxidos de azufre y fósforo, sulfuro de hidrógeno, etc. Por ejemplo, una molécula de cloruro de hidrógeno contiene un par de electrones común,formado por electrones desapareados de hidrógeno y cloro. Se desplaza más cerca del centro del átomo de Cl, que es un elemento más electronegativo. Todas las sustancias con un enlace polar en soluciones acuosas se disocian en iones y conducen una corriente eléctrica. Los compuestos que tienen un enlace covalente polar, ejemplos de los cuales hemos dado, también tienen puntos de fusión y ebullición más altos en comparación con las sustancias no metálicas simples.
Métodos para romper enlaces químicos
En química orgánica, las reacciones de sustitución de hidrocarburos saturados con halógenos siguen un mecanismo de radicales. Una mezcla de metano y cloro a la luz ya la temperatura ordinaria reacciona de tal manera que las moléculas de cloro comienzan a dividirse en partículas que transportan electrones desapareados. En otras palabras, se observa la destrucción del par de electrones común y la formación de radicales -Cl muy activos. Son capaces de influir en las moléculas de metano de tal manera que rompen el enlace covalente entre los átomos de carbono e hidrógeno. Se forma una partícula activa –H, y la valencia libre del átomo de carbono adquiere un radical cloro, y el clorometano se convierte en el primer producto de la reacción. Tal mecanismo para la división de moléculas se llama homolítico. Si el par común de electrones pasa por completo a la posesión de uno de los átomos, entonces hablan de un mecanismo heterolítico característico de las reacciones que tienen lugar en soluciones acuosas. En este caso, las moléculas de agua polar aumentarán la velocidad de destrucción de los enlaces químicos del compuesto disuelto.
Dobles y triplesenlaces
La gran mayoría de las sustancias orgánicas y algunos compuestos inorgánicos contienen en sus moléculas no uno, sino varios pares de electrones comunes. La multiplicidad del enlace covalente reduce la distancia entre los átomos y aumenta la estabilidad de los compuestos. Por lo general, se les conoce como químicamente resistentes. Por ejemplo, en una molécula de nitrógeno hay tres pares de electrones, se indican en la fórmula estructural con tres guiones y determinan su fuerza. La sustancia simple nitrógeno es químicamente inerte y puede reaccionar con otros compuestos, como hidrógeno, oxígeno o metales, solo cuando se calienta o se encuentra a presión elevada, así como en presencia de catalizadores.
Los enlaces dobles y triples son inherentes a clases de compuestos orgánicos como los hidrocarburos diénicos insaturados, así como a las sustancias de la serie del etileno o del acetileno. Los enlaces múltiples determinan las principales propiedades químicas: reacciones de adición y polimerización que ocurren en los puntos de su ruptura.
En nuestro artículo, dimos una descripción general del enlace covalente y examinamos sus principales tipos.
