Thèmes Codificateur d'examen d'État unifié: Liaison chimique covalente, ses variétés et mécanismes de formation. Caractéristiques des liaisons covalentes (polarité et énergie de liaison). Liaison ionique. Connexion métallique. Liaison hydrogène

Liaisons chimiques intramoléculaires

Examinons d’abord les liaisons qui naissent entre les particules au sein des molécules. De telles connexions sont appelées intramoléculaire.

Liaison chimique entre les atomes éléments chimiques a une nature électrostatique et se forme en raison de interaction des électrons externes (de valence), à plus ou moins grande échelle détenu par des noyaux chargés positivement atomes liés.

Le concept clé ici est ÉLECTRONÉGATIVITÉ. C'est cela qui détermine le type de liaison chimique entre les atomes et les propriétés de cette liaison.

est la capacité d'un atome à attirer (retenir) externe(valence) électrons. L'électronégativité est déterminée par le degré d'attraction des électrons externes vers le noyau et dépend principalement du rayon de l'atome et de la charge du noyau.

L'électronégativité est difficile à déterminer sans ambiguïté. L. Pauling a dressé un tableau des électronégativités relatives (basées sur les énergies de liaison des molécules diatomiques). L'élément le plus électronégatif est fluor avec du sens 4 .

Il est important de noter que dans différentes sources, vous pouvez trouver différentes échelles et tableaux de valeurs d'électronégativité. Il ne faut pas s'inquiéter, car la formation d'une liaison chimique joue un rôle atomes, et c’est à peu près la même chose dans n’importe quel système.

Si l’un des atomes de la liaison chimique A:B attire plus fortement les électrons, alors la paire d’électrons se dirige vers lui. Le plus différence d'électronégativité atomes, plus la paire d’électrons se déplace.

Si les électronégativités des atomes en interaction sont égales ou approximativement égales : EO(A)≈EO(B), alors la paire d'électrons commune ne se déplace vers aucun des atomes : UN B. Cette connexion est appelée covalent non polaire.

Si les électronégativités des atomes en interaction diffèrent, mais pas beaucoup (la différence d'électronégativité est d'environ 0,4 à 2 : 0,4<ΔЭО<2 ), alors la paire d’électrons est déplacée vers l’un des atomes. Cette connexion est appelée polaire covalente .

Si les électronégativités des atomes en interaction diffèrent de manière significative (la différence d'électronégativité est supérieure à 2 : ΔEO>2), alors l'un des électrons est presque entièrement transféré à un autre atome, avec formation ions. Cette connexion est appelée ionique.

Types de base de liaisons chimiques - covalent, ionique Et métal communications. Regardons-les de plus près.

Liaison chimique covalente

Une liaison covalente – c'est une liaison chimique , formé en raison de formation d'une paire d'électrons commune A:B . De plus, deux atomes chevaucher orbitales atomiques. Une liaison covalente est formée par l'interaction d'atomes avec une petite différence d'électronégativité (généralement entre deux non-métaux) ou des atomes d'un élément.

Propriétés de base des liaisons covalentes

• se concentrer,
• saturabilité,
• polarité,
• polarisabilité.

Ces propriétés de liaison influencent les propriétés chimiques et physiques des substances.

Orientation des communications caractérise la structure chimique et la forme des substances. Les angles entre deux liaisons sont appelés angles de liaison. Par exemple, dans une molécule d'eau, l'angle de liaison H-O-H est de 104,45 o, donc la molécule d'eau est polaire, et dans une molécule de méthane, l'angle de liaison H-C-H est de 108 o 28'.

Saturation est la capacité des atomes à former un nombre limité de liaisons chimiques covalentes. On appelle le nombre de liaisons qu'un atome peut former.

Polarité la liaison se produit en raison de la répartition inégale de la densité électronique entre deux atomes d'électronégativité différente. Les liaisons covalentes sont divisées en liaisons polaires et non polaires.

Polarisabilité les connexions sont la capacité des électrons de liaison à se déplacer sous l'influence d'un champ électrique externe(en particulier, le champ électrique d'une autre particule). La polarisabilité dépend de la mobilité des électrons. Plus l’électron est éloigné du noyau, plus il est mobile et donc la molécule est plus polarisable.

Liaison chimique covalente non polaire

Il existe 2 types de liaisons covalentes – POLAIRE Et NON POLAIRE .

Exemple . Considérons la structure de la molécule d'hydrogène H2. Chaque atome d'hydrogène dans son niveau d'énergie externe porte 1 électron non apparié. Pour afficher un atome, nous utilisons la structure de Lewis - il s'agit d'un diagramme de la structure du niveau d'énergie externe d'un atome, lorsque les électrons sont indiqués par des points. Les modèles de structure de points de Lewis sont très utiles lorsque l’on travaille avec des éléments de la deuxième période.

H. + . H = H:H

Ainsi, une molécule d’hydrogène possède une paire d’électrons partagée et une liaison chimique H – H. Cette paire d'électrons ne se déplace vers aucun des atomes d'hydrogène, car Les atomes d'hydrogène ont la même électronégativité. Cette connexion est appelée covalent non polaire .

Liaison covalente non polaire (symétrique) est une liaison covalente formée par des atomes d'électronégativité égale (généralement les mêmes non-métaux) et, par conséquent, avec une répartition uniforme de la densité électronique entre les noyaux des atomes.

Le moment dipolaire des liaisons non polaires est égal à 0.

Exemples: H 2 (H-H), O 2 (O = O), S 8.

Liaison chimique polaire covalente

Liaison polaire covalente est une liaison covalente qui se produit entre atomes avec une électronégativité différente (généralement, divers non-métaux) et se caractérise déplacement paire d'électrons partagée à un atome plus électronégatif (polarisation).

La densité électronique est décalée vers l'atome le plus électronégatif - par conséquent, une charge partielle négative (δ-) apparaît dessus et une charge partielle positive (δ+, delta +) apparaît sur l'atome le moins électronégatif.

Plus la différence d'électronégativité des atomes est grande, plus polarité connexions et plus moment dipolaire . Des forces d'attraction supplémentaires agissent entre les molécules voisines et les charges de signe opposé, ce qui augmente force communications.

La polarité des liaisons affecte les propriétés physiques et chimiques des composés. Les mécanismes réactionnels voire la réactivité des liaisons voisines dépendent de la polarité de la liaison. La polarité de la connexion détermine souvent polarité de la molécule et affecte ainsi directement des propriétés physiques telles que le point d'ébullition et le point de fusion, la solubilité dans les solvants polaires.

Exemples: HCl, CO2, NH3.

Mécanismes de formation de liaisons covalentes

Les liaisons chimiques covalentes peuvent se produire par 2 mécanismes :

1. Mécanisme d'échange la formation d'une liaison chimique covalente se produit lorsque chaque particule fournit un électron non apparié pour former une paire d'électrons commune :

UN . + . B = A : B

2. La formation de liaisons covalentes est un mécanisme dans lequel l'une des particules fournit une paire d'électrons libres et l'autre particule fournit une orbitale vacante pour cette paire d'électrons :

UN: + B = A : B

Dans ce cas, l’un des atomes fournit un doublet libre d’électrons ( donneur), et l'autre atome fournit une orbitale vacante pour cette paire ( accepteur). En raison de la formation des deux liaisons, l'énergie des électrons diminue, c'est-à-dire c'est bénéfique pour les atomes.

Une liaison covalente formée par un mécanisme donneur-accepteur n'est pas différent dans les propriétés d'autres liaisons covalentes formées par le mécanisme d'échange. La formation d'une liaison covalente par le mécanisme donneur-accepteur est typique des atomes soit avec un grand nombre d'électrons au niveau d'énergie externe (donneurs d'électrons), soit, à l'inverse, avec un très petit nombre d'électrons (accepteurs d'électrons). Les capacités de valence des atomes sont discutées plus en détail dans la section correspondante.

Une liaison covalente est formée par un mécanisme donneur-accepteur :

- dans une molécule monoxyde de carbone CO(la liaison dans la molécule est triple, 2 liaisons sont formées par le mécanisme d'échange, une par le mécanisme donneur-accepteur) : C≡O ;

-V ion ammonium NH 4 +, en ions amines organiques, par exemple, dans l'ion méthylammonium CH 3 -NH 2 + ;

-V composés complexes, une liaison chimique entre l'atome central et les groupes ligands, par exemple dans la liaison Na tétrahydroxoaluminate de sodium entre les ions aluminium et hydroxyde ;

-V acide nitrique et ses sels- nitrates : HNO 3, NaNO 3, dans certains autres composés azotés ;

- dans une molécule ozone O3.

Caractéristiques de base des liaisons covalentes

Des liaisons covalentes se forment généralement entre des atomes non métalliques. Les principales caractéristiques d'une liaison covalente sont longueur, énergie, multiplicité et directionnalité.

Multiplicité de liaison chimique

Multiplicité de liaison chimique - Ce nombre de paires d'électrons partagées entre deux atomes dans un composé. La multiplicité d'une liaison peut être déterminée assez facilement à partir des valeurs des atomes qui forment la molécule.

Par exemple , dans la molécule d'hydrogène H 2, la multiplicité des liaisons est de 1, car Chaque hydrogène n’a qu’un seul électron non apparié dans son niveau d’énergie externe, d’où la formation d’une paire d’électrons partagée.

Dans la molécule d'oxygène O 2, la multiplicité des liaisons est de 2, car Chaque atome au niveau d'énergie externe possède 2 électrons non appariés : O=O.

Dans la molécule d'azote N2, la multiplicité des liaisons est de 3, car entre chaque atome, il y a 3 électrons non appariés au niveau d'énergie externe, et les atomes forment 3 paires d'électrons communes N≡N.

Longueur de la liaison covalente

Longueur de liaison chimique est la distance entre les centres des noyaux des atomes formant la liaison. Elle est déterminée par des méthodes physiques expérimentales. La longueur de liaison peut être estimée approximativement à l'aide de la règle d'additivité, selon laquelle la longueur de liaison dans la molécule AB est approximativement égale à la moitié de la somme des longueurs de liaison dans les molécules A 2 et B 2 :

La longueur d'une liaison chimique peut être estimée approximativement par rayons atomiques former un lien, ou par multiplicité de communication, si les rayons des atomes ne sont pas très différents.

À mesure que les rayons des atomes formant une liaison augmentent, la longueur de la liaison augmente.

Par exemple

À mesure que la multiplicité des liaisons entre atomes augmente (dont les rayons atomiques ne diffèrent pas ou ne diffèrent que légèrement), la longueur de la liaison diminue.

Par exemple . Dans la série : C–C, C=C, C≡C, la longueur de liaison diminue.

Énergie de communication

L’énergie de liaison est une mesure de la force d’une liaison chimique. Énergie de communication déterminé par l’énergie nécessaire pour rompre une liaison et éloigner les atomes formant cette liaison à une distance infiniment grande les uns des autres.

Une liaison covalente est très résistant. Son énergie varie de quelques dizaines à plusieurs centaines de kJ/mol. Plus l’énergie de liaison est élevée, plus la force de liaison est grande, et vice versa.

La force d'une liaison chimique dépend de la longueur de la liaison, de la polarité de la liaison et de la multiplicité des liaisons. Plus une liaison chimique est longue, plus elle est facile à rompre et plus l'énergie de liaison est faible, plus sa résistance est faible. Plus la liaison chimique est courte, plus elle est forte et plus l’énergie de liaison est grande.

Par exemple, dans la série des composés HF, HCl, HBr de gauche à droite, la force de la liaison chimique diminue, parce que La longueur de connexion augmente.

Liaison chimique ionique

Liaison ionique est une liaison chimique basée sur attraction électrostatique des ions.

Ions se forment lors du processus d’acceptation ou de don d’électrons par des atomes. Par exemple, les atomes de tous les métaux retiennent faiblement les électrons du niveau d’énergie externe. Les atomes métalliques sont donc caractérisés par propriétés réparatrices- capacité à donner des électrons.

Exemple. L'atome de sodium contient 1 électron au niveau d'énergie 3. En y renonçant facilement, l'atome de sodium forme l'ion Na + beaucoup plus stable, avec la configuration électronique du gaz rare néon Ne. L'ion sodium contient 11 protons et seulement 10 électrons, donc la charge totale de l'ion est -10+11 = +1 :

+11N / A) 2 ) 8 ) 1 - 1e = +11 N / A +) 2 ) 8

Exemple. Un atome de chlore dans son niveau d'énergie externe contient 7 électrons. Pour acquérir la configuration d’un atome d’argon inerte et stable Ar, le chlore doit gagner 1 électron. Après avoir ajouté un électron, un ion chlore stable se forme, constitué d’électrons. La charge totale de l'ion est de -1 :

+17Cl) 2 ) 8 ) 7 + 1e = +17 Cl — ) 2 ) 8 ) 8

Note:

• Les propriétés des ions sont différentes de celles des atomes !
• Les ions stables peuvent se former non seulement atomes, mais aussi groupes d'atomes. Par exemple : ion ammonium NH 4 +, ion sulfate SO 4 2-, etc. Les liaisons chimiques formées par ces ions sont également considérées comme ioniques ;
• Les liaisons ioniques se forment généralement entre elles les métaux Et non-métaux(groupes non métalliques) ;

Les ions résultants sont attirés par attraction électrique : Na + Cl -, Na 2 + SO 4 2-.

Résumons visuellement différence entre les types de liaisons covalentes et ioniques:

Liaison chimique métallique

Connexion métallique est une connexion qui se forme relativement électrons libres entre ions métalliques, formant un réseau cristallin.

Les atomes métalliques sont généralement situés au niveau d'énergie externe un à trois électrons. En règle générale, les rayons des atomes métalliques sont grands - par conséquent, les atomes métalliques, contrairement aux non-métaux, abandonnent assez facilement leurs électrons externes, c'est-à-dire sont de puissants agents réducteurs

Interactions intermoléculaires

Séparément, il convient de considérer les interactions qui se produisent entre les molécules individuelles d'une substance - interactions intermoléculaires . Les interactions intermoléculaires sont un type d'interaction entre atomes neutres dans lequel aucune nouvelle liaison covalente n'apparaît. Les forces d'interaction entre les molécules ont été découvertes par Van der Waals en 1869 et portent son nom. Forces de Van dar Waals. Les forces de Van der Waals sont divisées en orientation, induction Et dispersif . L’énergie des interactions intermoléculaires est bien inférieure à l’énergie des liaisons chimiques.

Forces d’attraction d’orientation se produisent entre des molécules polaires (interaction dipôle-dipôle). Ces forces se produisent entre les molécules polaires. Interactions inductives est l’interaction entre une molécule polaire et une molécule non polaire. Une molécule non polaire est polarisée sous l’action d’une molécule polaire, ce qui génère une attraction électrostatique supplémentaire.

Les liaisons hydrogène constituent un type particulier d’interaction intermoléculaire. - ce sont des liaisons chimiques intermoléculaires (ou intramoléculaires) qui naissent entre des molécules qui ont des liaisons covalentes hautement polaires - H-F, H-O ou H-N. S'il existe de telles liaisons dans une molécule, alors entre les molécules il y aura forces d'attraction supplémentaires .

Mécanisme éducatif la liaison hydrogène est en partie électrostatique et en partie donneur-accepteur. Dans ce cas, le donneur de paires d'électrons est un atome d'un élément fortement électronégatif (F, O, N), et l'accepteur sont les atomes d'hydrogène connectés à ces atomes. Les liaisons hydrogène sont caractérisées par se concentrer dans l'espace et saturation

Les liaisons hydrogène peuvent être indiquées par des points : H ··· O. Plus l'électronégativité de l'atome connecté à l'hydrogène est grande et plus sa taille est petite, plus la liaison hydrogène est forte. C'est typique principalement pour les connexions fluor avec hydrogène , ainsi que oxygène et hydrogène , moins azote avec hydrogène .

Des liaisons hydrogène se produisent entre les substances suivantes :

— fluorure d'hydrogène HF(gaz, solution de fluorure d'hydrogène dans l'eau - acide fluorhydrique), eau H 2 O (vapeur, glace, eau liquide) :

— solution d'ammoniaque et d'amines organiques- entre l'ammoniac et les molécules d'eau ;

— composés organiques dans lesquels des liaisons O-H ou N-H: alcools, acides carboxyliques, amines, acides aminés, phénols, aniline et ses dérivés, protéines, solutions de glucides - monosaccharides et disaccharides.

La liaison hydrogène affecte les propriétés physiques et chimiques des substances. Ainsi, une attraction supplémentaire entre les molécules rend difficile l’ébullition des substances. Les substances possédant des liaisons hydrogène présentent une augmentation anormale du point d’ébullition.

Par exemple En règle générale, avec l'augmentation du poids moléculaire, on observe une augmentation du point d'ébullition des substances. Cependant, dans un certain nombre de substances H 2 O-H 2 S-H 2 Se-H 2 Te nous n'observons pas de changement linéaire des points d'ébullition.

A savoir, à le point d'ébullition de l'eau est anormalement élevé - pas moins de -61°C, comme nous le montre la droite, mais bien plus, +100°C. Cette anomalie s'explique par la présence de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau. Par conséquent, dans des conditions normales (0-20 o C), l'eau est liquide par état de phase.

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Vous savez que les atomes peuvent se combiner les uns avec les autres pour former des substances simples et complexes. Dans ce cas, différents types de liaisons chimiques se forment : ionique, covalent (non polaire et polaire), métallique et hydrogène. L'une des propriétés les plus essentielles des atomes d'éléments, qui détermine le type de liaison qui se forme entre eux - ionique ou covalente - C'est l'électronégativité, c'est-à-dire la capacité des atomes d’un composé à attirer les électrons.

Une évaluation quantitative conditionnelle de l'électronégativité est donnée par l'échelle d'électronégativité relative.

Dans les périodes, il existe une tendance générale à l'augmentation de l'électronégativité des éléments, et dans les groupes - à leur diminution. Les éléments sont disposés en rangée en fonction de leur électronégativité, sur la base de laquelle l'électronégativité des éléments situés à différentes périodes peut être comparée.

Le type de liaison chimique dépend de l'ampleur de la différence entre les valeurs d'électronégativité des atomes de connexion des éléments. Plus les atomes des éléments formant la liaison diffèrent en électronégativité, plus la liaison chimique est polaire. Il est impossible de tracer une frontière nette entre les types de liaisons chimiques. Dans la plupart des composés, le type de liaison chimique est intermédiaire ; par exemple, une liaison chimique covalente hautement polaire est proche d'une liaison ionique. Selon le cas limite dans lequel une liaison chimique est de nature la plus proche, elle est classée comme liaison ionique ou polaire covalente.

Liaison ionique.

Une liaison ionique est formée par l'interaction d'atomes qui diffèrent fortement les uns des autres en termes d'électronégativité. Par exemple, les métaux typiques lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), strontium (Sr), baryum (Ba) forment des liaisons ioniques avec des non-métaux typiques, principalement des halogènes.

En plus des halogénures de métaux alcalins, des liaisons ioniques se forment également dans des composés tels que les alcalis et les sels. Par exemple, dans l'hydroxyde de sodium (NaOH) et le sulfate de sodium (Na 2 SO 4), les liaisons ioniques n'existent qu'entre les atomes de sodium et d'oxygène (les liaisons restantes sont covalentes polaires).

Liaison covalente non polaire.

Lorsque des atomes ayant la même électronégativité interagissent, des molécules avec une liaison covalente non polaire se forment. Une telle liaison existe dans les molécules des substances simples suivantes : H 2, F 2, Cl 2, O 2, N 2. Les liaisons chimiques dans ces gaz sont formées par des paires d'électrons partagées, c'est-à-dire lorsque les nuages ​​d'électrons correspondants se chevauchent, en raison de l'interaction électron-nucléaire, qui se produit lorsque les atomes se rapprochent.

Lors de la composition de formules électroniques de substances, il ne faut pas oublier que chaque paire d'électrons commune est une image conventionnelle d'une densité électronique accrue résultant du chevauchement des nuages ​​​​d'électrons correspondants.

Liaison polaire covalente.

Lorsque des atomes interagissent, dont les valeurs d'électronégativité diffèrent, mais pas fortement, la paire d'électrons commune se déplace vers un atome plus électronégatif. Il s’agit du type de liaison chimique le plus courant, présent dans les composés inorganiques et organiques.

Les liaisons covalentes incluent également pleinement les liaisons formées par un mécanisme donneur-accepteur, par exemple dans les ions hydronium et ammonium.

Connexion métallique.

La liaison formée à la suite de l’interaction d’électrons relativement libres avec des ions métalliques est appelée liaison métallique. Ce type de liaison est caractéristique des substances simples - les métaux.

L'essence du processus de formation des liaisons métalliques est la suivante : les atomes métalliques cèdent facilement des électrons de valence et se transforment en ions chargés positivement. Les électrons relativement libres détachés de l’atome se déplacent entre les ions métalliques positifs. Une liaison métallique naît entre eux, c'est-à-dire Les électrons, pour ainsi dire, cimentent les ions positifs du réseau cristallin des métaux.

Liaison hydrogène.

Liaison qui se forme entre les atomes d'hydrogène d'une molécule et un atome d'un élément fortement électronégatif.(O,N,F) une autre molécule est appelée liaison hydrogène.

La question peut se poser : pourquoi l’hydrogène forme-t-il une liaison chimique si spécifique ?

Cela s'explique par le fait que le rayon atomique de l'hydrogène est très petit. De plus, lors du déplacement ou du don complet de son seul électron, l'hydrogène acquiert une charge positive relativement élevée, grâce à laquelle l'hydrogène d'une molécule interagit avec des atomes d'éléments électronégatifs qui ont une charge négative partielle qui entre dans la composition d'autres molécules (HF , H 2 O, NH 3) .

Regardons quelques exemples. Nous représentons généralement la composition de l'eau par la formule chimique H 2 O. Cependant, cela n'est pas tout à fait exact. Il serait plus correct de désigner la composition de l'eau par la formule (H 2 O)n, où n = 2,3,4, etc. Cela s'explique par le fait que les molécules d'eau individuelles sont reliées les unes aux autres par des liaisons hydrogène .

Les liaisons hydrogène sont généralement désignées par des points. Elle est beaucoup plus faible que les liaisons ioniques ou covalentes, mais plus forte que les interactions intermoléculaires ordinaires.

La présence de liaisons hydrogène explique l’augmentation du volume d’eau avec la diminution de la température. Cela est dû au fait qu’à mesure que la température diminue, les molécules deviennent plus fortes et donc la densité de leur « packing » diminue.

Lors de l'étude de la chimie organique, la question suivante s'est posée : pourquoi les points d'ébullition des alcools sont-ils bien plus élevés que ceux des hydrocarbures correspondants ? Cela s'explique par le fait que des liaisons hydrogène se forment également entre les molécules d'alcool.

Une augmentation du point d'ébullition des alcools se produit également en raison de l'élargissement de leurs molécules.

La liaison hydrogène est également caractéristique de nombreux autres composés organiques (phénols, acides carboxyliques, etc.). Grâce aux cours de chimie organique et de biologie générale, vous savez que la présence d'une liaison hydrogène explique la structure secondaire des protéines, la structure de la double hélice de l'ADN, c'est à dire le phénomène de complémentarité.

Cristaux.

Il existe quatre types de liaisons chimiques : ioniques, covalentes, métalliques et hydrogène.

Ionique liaison chimique

Liaison chimique ionique est une liaison formée en raison de l’attraction électrostatique des cations vers les anions.

Comme vous le savez, la configuration électronique des atomes la plus stable est celle dans laquelle le niveau électronique externe, comme les atomes des gaz rares, contient 8 électrons (ou pour le premier niveau d'énergie - 2). Au cours des interactions chimiques, les atomes s'efforcent d'acquérir une telle configuration électronique stable et y parviennent souvent soit par l'ajout d'électrons de valence provenant d'autres atomes (le processus de réduction), soit par le don de leurs électrons de valence (le processus de réduction). processus d'oxydation). Les atomes qui ont acquis des électrons « étrangers » se transforment en ions négatifs, ou anions. Les atomes qui donnent leurs électrons deviennent des ions positifs, ou cations. Il est clair que des forces d’attraction électrostatiques apparaissent entre les anions et les cations, qui les maintiennent proches les uns des autres, réalisant ainsi une liaison chimique ionique.

Étant donné que les cations forment principalement des atomes métalliques et que les anions forment des atomes non métalliques, il est logique de conclure que ce type de liaison est caractéristique des composés de métaux typiques (éléments des principaux sous-groupes des groupes I et II, à l'exception du magnésium et du béryllium Be) avec des non-métaux typiques (éléments du groupe principal du sous-groupe VII). Un exemple classique est la formation d'halogénures de métaux alcalins (fluorures, chlorures, etc.). Par exemple, considérons le schéma de formation d'une liaison ionique dans le chlorure de sodium :

Deux ions de charges opposées liés par des forces d'attraction ne perdent pas la capacité d'interagir avec des ions de charges opposées, ce qui entraîne la formation de composés avec le réseau cristallin ionique. Les composés ioniques sont des substances solides, résistantes et réfractaires avec un point de fusion élevé.

Les solutions et les fusions de la plupart des composés ioniques sont des électrolytes. Ce type de liaison est caractéristique des hydroxydes de métaux typiques et de nombreux sels d'acides contenant de l'oxygène. Cependant, lorsqu’une liaison ionique se forme, un transfert idéal (complet) d’électrons ne se produit pas. Une liaison ionique est un cas extrême de liaison covalente polaire.

Dans un composé ionique, les ions se présentent comme sous la forme de charges électriques avec une symétrie sphérique du champ électrique, qui diminue également avec l'augmentation de la distance par rapport au centre de la charge (ion) dans n'importe quelle direction. Par conséquent, l’interaction des ions ne dépend pas de la direction, c’est-à-dire qu’une liaison ionique, contrairement à une liaison covalente, sera non directionnelle.

Les liaisons ioniques existent également dans les sels d'ammonium, où il n'y a pas d'atomes métalliques (leur rôle est joué par le cation ammonium).

Liaison chimique covalente

Toute interaction entre atomes n’est possible que s’il existe une liaison chimique. Une telle connexion est à l'origine de la formation d'un système polyatomique stable - un ion moléculaire, une molécule, un réseau cristallin. Une liaison chimique forte nécessite beaucoup d’énergie pour se rompre, c’est pourquoi c’est la quantité de base pour mesurer la force de liaison.

Conditions de formation d'une liaison chimique

La formation d'une liaison chimique s'accompagne toujours d'une libération d'énergie. Ce processus se produit en raison d'une diminution de l'énergie potentielle d'un système de particules en interaction - molécules, ions, atomes. L'énergie potentielle du système résultant d'éléments en interaction est toujours inférieure à l'énergie des particules sortantes non liées. Ainsi, la base de l'émergence d'une liaison chimique dans un système est la diminution de l'énergie potentielle de ses éléments.

Nature de l'interaction chimique

Une liaison chimique est une conséquence de l'interaction des champs électromagnétiques qui apparaissent autour des électrons et des noyaux atomiques des substances qui participent à la formation d'une nouvelle molécule ou d'un nouveau cristal. Après la découverte de la théorie de la structure atomique, la nature de cette interaction est devenue plus accessible à l’étude.

Pour la première fois, l'idée de​​la nature électrique d'une liaison chimique est née du physicien anglais G. Davy, qui a suggéré que les molécules se forment en raison de l'attraction électrique de particules de charges opposées. Cette idée a intéressé le chimiste et naturaliste suédois I.Ya. Bercellius, qui a développé la théorie électrochimique de l'apparition de liaisons chimiques.

La première théorie, qui expliquait les processus d'interaction chimique des substances, était imparfaite et, au fil du temps, elle a dû être abandonnée.

La théorie de Butlerov

Une tentative plus réussie pour expliquer la nature de la liaison chimique des substances a été réalisée par le scientifique russe A.M. Butlerov. Ce scientifique a basé sa théorie sur les hypothèses suivantes :

• Les atomes à l’état lié sont connectés les uns aux autres dans un certain ordre. Un changement dans cet ordre provoque la formation d’une nouvelle substance.
• Les atomes se lient les uns aux autres selon les lois de valence.
• Les propriétés d'une substance dépendent de l'ordre de connexion des atomes dans la molécule de la substance. Une disposition différente entraîne une modification des propriétés chimiques de la substance.
• Les atomes connectés les uns aux autres s’influencent le plus fortement.

La théorie de Butlerov expliquait les propriétés des substances chimiques non seulement par leur composition, mais aussi par l'ordre de disposition des atomes. Cet ordre interne d'A.M. Butlerov l'appelait « structure chimique ».

La théorie du scientifique russe a permis de remettre de l'ordre dans la classification des substances et a permis de déterminer la structure des molécules par leurs propriétés chimiques. La théorie a également répondu à la question : pourquoi les molécules contenant le même nombre d’atomes ont des propriétés chimiques différentes.

Conditions préalables à la création de théories de liaison chimique

Dans sa théorie de la structure chimique, Butlerov n'a pas abordé la question de savoir ce qu'est une liaison chimique. Pour ce faire, nous disposions de trop peu de données sur la structure interne de la matière. Ce n'est qu'après la découverte du modèle planétaire de l'atome que le scientifique américain Lewis a commencé à développer l'hypothèse selon laquelle une liaison chimique naît de la formation d'une paire d'électrons appartenant simultanément à deux atomes. Par la suite, cette idée est devenue la base du développement de la théorie des liaisons covalentes.

Liaison chimique covalente

Un composé chimique stable peut se former lorsque les nuages ​​électroniques de deux atomes voisins se chevauchent. Le résultat d’une telle intersection mutuelle est une densité électronique croissante dans l’espace internucléaire. Les noyaux des atomes, comme nous le savons, sont chargés positivement et tentent donc de se rapprocher le plus possible du nuage d'électrons chargés négativement. Cette attraction est bien plus forte que les forces répulsives entre deux noyaux chargés positivement, cette connexion est donc stable.

Les calculs de liaison chimique ont été effectués pour la première fois par les chimistes Heitler et London. Ils ont examiné la liaison entre deux atomes d'hydrogène. La représentation visuelle la plus simple pourrait ressembler à ceci :

Comme vous pouvez le constater, la paire d’électrons occupe une place quantique dans les deux atomes d’hydrogène. Cet arrangement d’électrons à deux centres est appelé « liaison chimique covalente ». Les liaisons covalentes sont typiques des molécules de substances simples et de leurs composés non métalliques. Les substances créées par des liaisons covalentes ne conduisent généralement pas l'électricité ou sont des semi-conducteurs.

Liaison ionique

Une liaison chimique ionique se produit lorsque deux ions de charges opposées s'attirent. Les ions peuvent être simples, constitués d’un atome d’une substance. Dans les composés de ce type, les ions simples sont le plus souvent des atomes métalliques chargés positivement des groupes 1 et 2 qui ont perdu leur électron. La formation d'ions négatifs est inhérente aux atomes de non-métaux typiques et à leurs bases acides. Par conséquent, parmi les composés ioniques typiques, il existe de nombreux halogénures de métaux alcalins, tels que CsF, NaCl et autres.

Contrairement à une liaison covalente, un ion n’est pas saturé : un nombre variable d’ions de charges opposées peuvent rejoindre un ion ou un groupe d’ions. Le nombre de particules attachées n'est limité que par les dimensions linéaires des ions en interaction, ainsi que par la condition dans laquelle les forces attractives des ions chargés de manière opposée doivent être supérieures aux forces répulsives des particules également chargées participant au composé de type ionique.

Liaison hydrogène

Même avant la création de la théorie de la structure chimique, il a été remarqué expérimentalement que les composés hydrogènes avec divers non-métaux avaient des propriétés quelque peu inhabituelles. Par exemple, les points d’ébullition du fluorure d’hydrogène et de l’eau sont beaucoup plus élevés que prévu.

Ces caractéristiques et d’autres des composés hydrogènes peuvent s’expliquer par la capacité de l’atome H + à former une autre liaison chimique. Ce type de connexion est appelé « liaison hydrogène ». Les raisons de l'apparition d'une liaison hydrogène résident dans les propriétés des forces électrostatiques. Par exemple, dans une molécule de fluorure d'hydrogène, le nuage électronique total est tellement déplacé vers le fluor que l'espace autour d'un atome de cette substance est saturé d'un champ électrique négatif. Autour d’un atome d’hydrogène, privé de son seul électron, le champ est beaucoup plus faible et possède une charge positive. En conséquence, une relation supplémentaire apparaît entre les champs positifs des nuages ​​​​d'électrons H + et négatifs F - .

Liaison chimique des métaux

Les atomes de tous les métaux sont situés d’une certaine manière dans l’espace. L’arrangement des atomes métalliques s’appelle un réseau cristallin. Dans ce cas, les électrons de différents atomes interagissent faiblement les uns avec les autres, formant un nuage électronique commun. Ce type d’interaction entre atomes et électrons est appelé « liaison métallique ».

C'est la libre circulation des électrons dans les métaux qui peut expliquer les propriétés physiques des substances métalliques : conductivité électrique, conductivité thermique, résistance, fusibilité et autres.

Il est extrêmement rare que des substances chimiques soient constituées d’atomes d’éléments chimiques individuels et non liés. Dans des conditions normales, seul un petit nombre de gaz appelés gaz rares ont cette structure : l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon et le radon. Le plus souvent, les substances chimiques ne sont pas constituées d’atomes isolés, mais de leurs combinaisons en divers groupes. De telles associations d’atomes peuvent compter quelques atomes, des centaines, des milliers, voire davantage. La force qui maintient ces atomes dans de tels groupes est appelée liaison chimique.

En d'autres termes, on peut dire qu'une liaison chimique est une interaction qui assure la connexion d'atomes individuels en structures plus complexes (molécules, ions, radicaux, cristaux, etc.).

La raison de la formation d'une liaison chimique est que l'énergie des structures plus complexes est inférieure à l'énergie totale des atomes individuels qui la forment.

Ainsi, en particulier, si l'interaction des atomes X et Y produit une molécule XY, cela signifie que l'énergie interne des molécules de cette substance est inférieure à l'énergie interne des atomes individuels à partir desquels elle a été formée :

E(XY)< E(X) + E(Y)

Pour cette raison, lorsque des liaisons chimiques se forment entre des atomes individuels, de l’énergie est libérée.

Électrons de la couche électronique externe ayant la plus faible énergie de liaison avec le noyau, appelés valence. Par exemple, dans le bore, ce sont des électrons du 2ème niveau d'énergie - 2 électrons pour 2 s- orbitales et 1 par 2 p-orbitales :

Lorsqu'une liaison chimique se forme, chaque atome tend à obtenir la configuration électronique des atomes de gaz rares, c'est-à-dire de sorte qu'il y a 8 électrons dans sa couche électronique externe (2 pour les éléments de la première période). Ce phénomène est appelé la règle de l'octet.

Il est possible pour les atomes d’atteindre la configuration électronique d’un gaz rare si initialement des atomes uniques partagent certains de leurs électrons de valence avec d’autres atomes. Dans ce cas, des paires d’électrons communes se forment.

Selon le degré de partage électronique, on peut distinguer des liaisons covalentes, ioniques et métalliques.

Une liaison covalente

Les liaisons covalentes se produisent le plus souvent entre des atomes d'éléments non métalliques. Si les atomes non métalliques formant une liaison covalente appartiennent à différents éléments chimiques, une telle liaison est appelée liaison covalente polaire. La raison de ce nom réside dans le fait que les atomes de différents éléments ont également des capacités différentes à attirer une paire d'électrons commune. Évidemment, cela conduit à un déplacement de la paire d'électrons commune vers l'un des atomes, ce qui entraîne la formation d'une charge négative partielle sur celle-ci. À son tour, une charge positive partielle se forme sur l’autre atome. Par exemple, dans une molécule de chlorure d’hydrogène, la paire d’électrons est déplacée de l’atome d’hydrogène vers l’atome de chlore :

Exemples de substances avec des liaisons covalentes polaires :

CCl 4, H 2 S, CO 2, NH 3, SiO 2, etc.

Une liaison covalente non polaire se forme entre des atomes non métalliques du même élément chimique. Puisque les atomes sont identiques, leur capacité à attirer les électrons partagés est également la même. A cet égard, aucun déplacement de la paire électronique n'est observé :

Le mécanisme ci-dessus pour la formation d'une liaison covalente, lorsque les deux atomes fournissent des électrons pour former des paires d'électrons communes, est appelé échange.

Il existe également un mécanisme donneur-accepteur.

Lorsqu'une liaison covalente est formée par le mécanisme donneur-accepteur, une paire d'électrons partagée est formée en raison de l'orbitale remplie d'un atome (avec deux électrons) et de l'orbitale vide d'un autre atome. Un atome qui fournit une paire d’électrons non liants est appelé donneur, et un atome avec une orbitale vacante est appelé accepteur. Les atomes qui ont des paires d'électrons, par exemple N, O, P, S, agissent comme donneurs de paires d'électrons.

Par exemple, selon le mécanisme donneur-accepteur, la quatrième liaison covalente N-H est formée dans le cation ammonium NH 4 + :

En plus de la polarité, les liaisons covalentes sont également caractérisées par l'énergie. L’énergie de liaison est l’énergie minimale requise pour rompre une liaison entre atomes.

L'énergie de liaison diminue avec l'augmentation des rayons des atomes liés. Puisque nous savons que les rayons atomiques augmentent dans les sous-groupes, nous pouvons, par exemple, conclure que la force de la liaison halogène-hydrogène augmente dans la série :

SALUT< HBr < HCl < HF

De plus, l’énergie de la liaison dépend de sa multiplicité : plus la multiplicité de la liaison est grande, plus son énergie est grande. La multiplicité des liaisons fait référence au nombre de paires d'électrons partagées entre deux atomes.

Liaison ionique

Une liaison ionique peut être considérée comme un cas extrême de liaison covalente polaire. Si, dans une liaison covalente-polaire, la paire d'électrons commune est partiellement déplacée vers l'un des deux atomes, alors dans une liaison ionique, elle est presque entièrement « donnée » à l'un des atomes. L'atome qui donne un ou plusieurs électrons acquiert une charge positive et devient cation, et l'atome qui lui a pris des électrons acquiert une charge négative et devient anion.

Ainsi, une liaison ionique est une liaison formée par l’attraction électrostatique de cations vers des anions.

La formation de ce type de liaison est typique lors de l'interaction d'atomes de métaux typiques et de non-métaux typiques.

Par exemple, le fluorure de potassium. Le cation potassium est formé par la suppression d'un électron d'un atome neutre, et l'ion fluor est formé par l'ajout d'un électron à l'atome de fluor :

Une force d’attraction électrostatique apparaît entre les ions résultants, entraînant la formation d’un composé ionique.

Lorsqu'une liaison chimique s'est formée, les électrons de l'atome de sodium sont passés à l'atome de chlore et des ions de charges opposées se sont formés, qui ont un niveau d'énergie externe complet.

Il a été établi que les électrons de l’atome métallique ne sont pas complètement détachés, mais sont simplement déplacés vers l’atome de chlore, comme dans une liaison covalente.

La plupart des composés binaires contenant des atomes métalliques sont ioniques. Par exemple, oxydes, halogénures, sulfures, nitrures.

La liaison ionique se produit également entre des cations simples et des anions simples (F −, Cl −, S 2-), ainsi qu'entre des cations simples et des anions complexes (NO 3 −, SO 4 2-, PO 4 3-, OH −). Par conséquent, les composés ioniques comprennent les sels et les bases (Na 2 SO 4, Cu(NO 3) 2, (NH 4) 2 SO 4), Ca(OH) 2, NaOH).

Connexion métallique

Ce type de liaison se forme dans les métaux.

Les atomes de tous les métaux ont des électrons dans leur couche électronique externe qui ont une faible énergie de liaison avec le noyau de l'atome. Pour la plupart des métaux, le processus de perte d’électrons externes est énergétiquement favorable.

En raison d'une si faible interaction avec le noyau, ces électrons dans les métaux sont très mobiles et le processus suivant se produit continuellement dans chaque cristal métallique :

M 0 - ne - = M n + , où M 0 est un atome de métal neutre et M n + est un cation du même métal. La figure ci-dessous fournit une illustration des processus en cours.

C'est-à-dire que les électrons « se précipitent » à travers un cristal métallique, se détachant d'un atome métallique, formant un cation à partir de celui-ci, rejoignant un autre cation, formant un atome neutre. Ce phénomène était appelé « vent électronique » et la collection d’électrons libres dans un cristal d’atome non métallique était appelée « gaz électronique ». Ce type d'interaction entre les atomes métalliques est appelé liaison métallique.

Liaison hydrogène

Si un atome d'hydrogène dans une substance est lié à un élément à forte électronégativité (azote, oxygène ou fluor), cette substance est caractérisée par un phénomène appelé liaison hydrogène.

Puisqu'un atome d'hydrogène est lié à un atome électronégatif, une charge partielle positive se forme sur l'atome d'hydrogène et une charge partielle négative se forme sur l'atome de l'élément électronégatif. À cet égard, l’attraction électrostatique devient possible entre un atome d’hydrogène partiellement chargé positivement d’une molécule et un atome électronégatif d’une autre. Par exemple, des liaisons hydrogène sont observées pour les molécules d'eau :

C’est la liaison hydrogène qui explique le point de fusion anormalement élevé de l’eau. En plus de l'eau, de fortes liaisons hydrogène se forment également dans des substances telles que le fluorure d'hydrogène, l'ammoniac, les acides contenant de l'oxygène, les phénols, les alcools et les amines.