Legătura chimică
De ce se formează legăturile chimice? În mare parte, este pentru a scădea energia potențială (PE) a sistemului. Energia potențială rezultă dininteracțiunea sarcinilor pozitive și negative. La nivel atomic, sarcinile pozitive sunt purtate de protoni, iar sarcinile negative sunt purtate de electroni.PE poate fi calculată cu ajutorul Legii lui Coulomb, care este produsul a două sarcini, Q1 și Q2, împărțit la distanța dintre sarcini, d. Dacă cele două sarcini au același semn (+ class=GramE>,+sau -,-), PE va fi un număr pozitiv. Sarcinile asemănătoare se resping între ele, astfel încât PE pozitiv este un factor destabilizator. Dacă cele două sarcini au semne diferite, PE va fi negativ. Acest lucru indică o forță de atracție între sarcini și reprezintă un factor de stabilizare. Legătura chimică duce la o scădere a PE și la formarea unor specii chimice mai stabile.
Legătura ionică
Legăturile ionice se formează între metale și nemetale. Metalele sunt elementele din partea stângă a tabelului periodic. Cele mai multe elemente metalice sunt cesiul și franciul. Metalele au tendința de a pierde electroni pentru a atinge configurația electronică de gaz nobil. Grupele 1 și 2 (metalele active) pierd 1 și, respectiv, 2 electroni de valență, din cauza energiilor lor de ionizare scăzute. Nemetalele sunt limitate la elementele din colțul din dreapta sus al Tabelului periodic. Cel mai nemetalic element este fluorul. Nemetalii tind să câștige electroni pentru a obține configurații de gaze nobile. Aceștia au afinități electronice relativ mari și energii de ionizare ridicate. Metalele tind să piardă electroni, iar nemetalele tind să câștige electroni, astfel încât, în reacțiile care implică aceste două grupuri, există un transfer de electroni de la metal la nemetal. Metalul este oxidat, iar nemetalul este redus. Un exemplu în acest sens este reacția dintre metalul, sodiul, și nemetal, clorul. Atomul de sodiu cedează un electron pentru a forma ionul Na+, iar molecula de clor câștigă electroni pentru a forma 2 ioni Cl-. Sarcinile acestor anioni și cationi sunt stabilizate prin formarea unei rețele cristaline, în care fiecare dintre ioni este înconjurat de contra-ioni.
Legătura covalentă
Legătura covalentă are loc între nemetale. Nu există un transfer de electroni, ci o împărțire a electronilor de valență. Nemetalele au toate energii de ionizare destul de mari, ceea ce înseamnă că este relativ dificil de îndepărtat electronii lor de valență. Apoi, metalele cu unu au, de asemenea, afinități electronice relativ ridicate, astfel încât tind să atragă electroni către ele însele. Astfel, ei împart electronii de valență cu alte nemetale. Electronii partajați sunt menținuți între cele două nuclee. Formula compușilor covalenți reprezintă numărul real de atomi care sunt legați pentru a forma molecule, cum ar fi C6H12O6 pentru glucoză. Speciile covalente există ca molecule individuale.
Legătura metalică
Legătura metalică există între atomii de metal. Metalele au energii de ionizare relativ scăzute (electroni ușor de eliminat), dar și afinități electronice scăzute (foarte puțină tendință de a câștiga electroni). Așadar, metalele vor împărți electroni. Cu toate acestea, este un tip de legătură diferit de legătura covalentă. Metalele împart electroni de valență, dar aceștia nu sunt localizați între atomi individuali. În schimb, ei sunt distribuiți în tot metalul și sunt complet delocalizați. Aceștia sunt adesea descriși ca fiind o „mare” de electroni care circulă liber între atomi. Graficul de mai jos încearcă să arate acest lucru. Sferele gri mai închise sunt nucleele metalice și electronii din miez. Zonele cenușii mai deschise sunt electronii de valență slab reținuți, care sunt efectiv împărtășiți de toți atomii de metal.
Legătura ionică – Energia rețelei
Metalele și nemetalele interacționează pentru a forma compuși ionici. Un exemplu în acest sens este reacția dintre Nași Cl2.
Legătura, de mai jos (care uneori funcționează, alteori nu) arată această reacție care are loc.
2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s)
Este o reacție extrem de exotermă. Se degajă o cantitate mare de căldură, ceea ce indică o scădere mare a PE al sistemului.
Produsul, NaCl, este mult mai stabil decât reactanții, Na și Cl2.
Această reacție poate fi descompusă în câteva etape, pentru a determina sursa acestei energii. Ne așteptăm la un număr mare negativ ca răspuns final.
În primul rând, sodiul este ionizat:
Na (g) → Na+ + e- I1 = 494 kJ/mol
Este necesar să se adauge energie pentru a elimina electronul.
Clorul este ionizat:
Cl (g) + e- → Cl-sup> (g) Afinitatea electronică = -349 kJ/mol
Energia este cedată atunci când clorul capătă un electron.
Suma celor două este pozitivă. Trebuie să existe o altă etapă implicată. Acel pas implică asamblarea ionilor într-o rețea cristalină, deci se numește energie de rețea.
Pentru NaCl, aceasta este egală cu class=GramE>-787 kJ/mol.
Aceasta reprezintă atracția puternică dintre anionii (Cl-)și anionii (Na+) ținuți în imediata apropiere. Interacțiunea este coulombiană, proporțională cu mărimea și semnul sarcinilor și invers proporțională cu distanța dintre ele.
Simbolurile electron-punct Lewis
Chimistul, G.N. Lewis, a conceput o modalitate simplă de a explica electronii de valență atunci când atomii formează legături. Simbolurile electron-dot Lewis reprezintă electronii de valență de pe fiecare atom. Simbolul elementului în sine, reprezintă nucleul și electronii nucleului, iar fiecare „punct” reprezintă un electron de valență.
Acestea sunt prezentate mai jos:
La metale, (la stânga liniei roșii) numărul total de puncte reprezintă electronii pe care elementul îi poate pierde pentru a forma un cation. La nemetale (la dreapta liniei roșii), numărul de puncte nepereche reprezintă numărul de electroni care se pot împerechea, prin câștig sau partajare de electroni. Așadar, numărul de puncte nepereche este egal fie cu încărcătura negativă a anionului care se formează, în urma transferului de electroni cu un metal, fie cu numărul de legături covalente pe care elementul le poate forma prin schimbul de electroni cu alte nemetale. Mg, cu două puncte, tinde să formeze ionul Mg2+. Carbonul, cu 4 puncte nepereche, poate forma ionul carbură, C4-, atunci când reacționează cu metale, sau poate forma patru legături atunci când reacționează cu nemetale.
Reacția dintre Na și Cl2 poate fi scrisă în funcție de structurile lor de puncte electronice Lewis.
Raze ionice
Când atomii pierd electroni pentru a forma cationi, raza ionică este întotdeauna mai mică decât raza atomică. Există mai puțini electroni, cu o sarcină nucleară neschimbată, Z. Acest lucru înseamnă că electronii rămași vor fi ținuți mai puternic și mai aproape de nucleu. Atunci când atomii câștigă electroni pentru a forma anioni, raza ionică este întotdeauna mai mare decât raza atomică. Cu mai mulți electroni, termenul de repulsie electron/electron este mai mare, destabilizând atomul și lăsând electronii mai departe de nucleu. Mai jos este prezentat un grafic al razelor ionice.
Sodiul elementar este mai mare decât clorul elementar. Cu toate acestea, atunci când sunt ionizate, dimensiunile lorrelative se inversează. Este foartedificil de prezis dimensiunile absolute.
Mărimile relative pot fi prezise pentru seriile izoelectronice, specii care au același număr de electroni. De exemplu, O2- și F- au ambele 10 electroni. Sarcina nucleară a oxigenului este +8, iar sarcina nucleară a fluorului este +9. Sarcinile pozitive cresc, dar sarcinile negative rămân aceleași (-10). Astfel, F- va fi mai mic datorită atracției crescute (+9/-10 față de +8/-10). Seriile de In3+, Sn4+și Sb5+ prezintă aceeași tendință. Toate acestea au 46e-, dar au sarcini nucleare de +49, +50 și, respectiv, +51. Sb5+ este cel mai mic dintre cele trei.