Attualmente, tutti i tipi di legami chimici sono suddivisi in covalenti, ionici, donatori-accettori, van der Waals, idrogeno e metallici.

Legame covalente si forma quando due atomi possono “condividere” gli elettroni:

A. + B. → A:B

Ionicoconnessione si forma quando lo "scambio" diventa così diseguale che un elettrone viene strappato dal suo atomo UN e va completamente all'atomo B, determinando la formazione di una coppia di ioni:

A. + B. → A + :B -

Riteniamo che un legame ionico sia un caso estremo di questo tipo di legame chimico come covalente.

Legame covalente polare

Se non esiste un legame “ionico assoluto”, forse ne esiste uno completamente covalente? La risposta è sì. Questo è il caso in cui due nuclei attraggono un elettrone con uguale forza. Questa posizione è garantita per le molecole biatomiche omonucleari, molecole costituite da due atomi identici. Quindi, dentro Cl2, O2, H2 gli elettroni sono condivisi equamente tra due atomi identici. In tali molecole, il centro della carica positiva coincide esattamente con il centro della carica negativa, nel mezzo tra i due nuclei. Gli elettroni di legame si trovano nello spazio tra gli atomi legati.

Una caratteristica di un legame covalente è anche la sua polarizzabilità. Se una molecola è composta da due atomi collegati da un legame polare, allora tale molecola è una molecola polare, cioè rappresenta .

Donatore-legame accettore

Un altro tipo di legame chimico è donatore-accettore. Ci sono scambi e donatore-accettante meccanismo di formazione dei legami. Un legame covalente formato da un meccanismo donatore-accettore (cioè dovuto a una coppia di elettroni di uno degli atomi) è chiamato donatore-accettore. Quindi l'esempio sopra con LiF è un esempio di legame donatore-accettore.

A: + B → A: B

Interazione intermolecolare - interazione delle molecole tra loro, che non porta alla rottura o alla formazione di nuovi legami chimici. Si basano, come la base di un legame chimico, su interazioni elettriche.

Forze di Van der Waals

Le forze di Van der Waals comprendono tutti i tipi di attrazione e repulsione intermolecolare(interazione delle molecole tra loro). Sono stati chiamati in onore di Ya.D. Van der Waals, che fu il primo a prendere in considerazione le interazioni intermolecolari per spiegarne le proprietà gas reali e liquidi.

La base delle forze di van der Waals sono anche le forze di interazione di Coulomb tra gli elettroni e i nuclei di una molecola e i nuclei e gli elettroni di un'altra. Ad una certa distanza tra le molecole, le forze di attrazione e repulsione si bilanciano e si forma un sistema stabile.

Fig. 1 Forze di Van der Waals

Le forze di Van der Waals sono notevolmente inferiori a qualsiasi tipo di legame chimico. Ad esempio, le forze che trattengono gli atomi di cloro in una molecola di cloro sono quasi dieci volte maggiori delle forze che legano insieme le molecole di Cl 2 . Ma senza questa debole attrazione intermolecolare non è possibile ottenere cloro liquido e solido.

Legami idrogeno

I gruppi di atomi contenenti idrogeno (dove un atomo di idrogeno è collegato a un atomo di fluoro, ossigeno o azoto, meno spesso: cloro, zolfo o altri non metalli) spesso formano un legame chimico stabile con atomi elettronegativi che fanno parte di un altro o la stessa molecola. Questo tipo di legame chimico si chiama legame idrogeno. Questo è un caso speciale delle forze di van der Waals.

Covalente Legami H-O, H-F, H-N sono altamente polari, per cui sull'atomo di idrogeno si accumula una carica positiva in eccesso e una carica negativa in eccesso sui poli opposti. Tra i poli di carica opposta si formano le forze di attrazione elettrostatica: i legami idrogeno. Il tipo di legame chimico dell'idrogeno può essere intermolecolare o intramolecolare. L'energia di un legame idrogeno è circa dieci volte inferiore all'energia di un legame covalente convenzionale, ma tuttavia i legami idrogeno svolgono un ruolo importante in molti processi fisico-chimici e biologici. In particolare, le molecole di DNA sono doppie eliche in cui due catene di nucleotidi sono legate da legami idrogeno.

Uno dei segni di questo tipo di legame chimico può essere la distanza tra l'atomo di idrogeno e l'altro atomo che lo forma. Deve essere inferiore alla somma dei raggi di questi atomi. Più comuni sono i legami idrogeno asimmetrici, in cui la distanza H...B è maggiore di A-B. Tuttavia, in rari casi (acido fluoridrico, alcuni acidi carbossilici) il legame idrogeno è simmetrico. I legami idrogeno più forti si formano con la partecipazione di atomi di fluoro. In uno ione simmetrico, l'energia di un legame idrogeno è 155 kJ/mol ed è paragonabile all'energia di un altro tipo di legame: un legame covalente. L'energia dei legami idrogeno tra le molecole d'acqua è già notevolmente inferiore (25 kJ/mol).

Riso. 2. Legame idrogeno tra le molecole d'acqua

Un legame chimico nasce dall'interazione dei campi elettrici creati da elettroni e nuclei atomici, ad es. un legame chimico è di natura elettrica.

Sotto legame chimico comprendere il risultato dell'interazione di 2 o più atomi che porta alla formazione di un sistema poliatomico stabile. La condizione per la formazione di un legame chimico è una diminuzione dell'energia degli atomi interagenti, ad es. lo stato molecolare di una sostanza è energeticamente più favorevole dello stato atomico. Quando formano un legame chimico, gli atomi si sforzano di ottenere un guscio elettronico completo.

Si distinguono: covalenti, ionici, metallici, idrogeno e intermolecolari.

Legame covalente– il tipo più generale di legame chimico che nasce dalla socializzazione di una coppia di elettroni meccanismo metabolico -, quando ciascuno degli atomi interagenti fornisce un elettrone, o meccanismo donatore-accettore, se una coppia di elettroni viene trasferita per uso comune da un atomo (donatore - N, O, Cl, F) a un altro atomo (accettore - atomi di elementi d).

Caratteristiche dei legami chimici.

1 - molteplicità di legami - è possibile solo 1 legame sigma tra 2 atomi, ma insieme ad esso può esserci un legame pi e delta tra gli stessi atomi, che porta alla formazione di più legami. La molteplicità è determinata dal numero di coppie di elettroni comuni.

2 – lunghezza del legame – distanza internucleare in una molecola, maggiore è la molteplicità, minore è la sua lunghezza.

3 – La forza del legame è la quantità di energia necessaria per romperlo

4 – La saturabilità di un legame covalente si manifesta nel fatto che un orbitale atomico può prendere parte alla formazione di un solo legame covalente. Questa proprietà determina la stechiometria dei composti molecolari.

5 – direzionalità del c.s. a seconda della forma e della direzione che hanno le nuvole di elettroni nello spazio, quando si sovrappongono, si possono formare composti con forme molecolari lineari e angolari.

Legame ionico – si forma tra atomi che differiscono notevolmente in elettronegatività. Questi sono composti dei sottogruppi principali dei gruppi 1 e 2 con elementi dei sottogruppi principali dei gruppi 6 e 7. Lo ionico è un legame chimico che si verifica a seguito della reciproca attrazione elettrostatica di ioni con carica opposta.

Il meccanismo di formazione di un legame ionico: a) la formazione di ioni di atomi interagenti; b) la formazione di una molecola dovuta all'attrazione degli ioni.

Non direzionalità e insaturazione dei legami ionici

I campi di forza degli ioni sono distribuiti uniformemente in tutte le direzioni, quindi ogni ione può attrarre ioni di segno opposto in qualsiasi direzione. Questa è la natura non direzionale del legame ionico. L'interazione di 2 ioni di segno opposto non porta alla completa compensazione reciproca dei loro campi di forza. Pertanto, mantengono la capacità di attrarre ioni in altre direzioni, ad es. il legame ionico è caratterizzato da insaturazione. Pertanto, ciascuno ione in un composto ionico attrae un numero tale di ioni di segno opposto da formare un reticolo cristallino di tipo ionico. Non ci sono molecole in un cristallo ionico. Ogni ione è circondato da un certo numero di ioni di segno diverso (il numero di coordinazione dello ione).

Collegamento in metallo– chim. Comunicazione nei metalli. I metalli hanno un eccesso di orbitali di valenza e una carenza di elettroni. Quando gli atomi si avvicinano l'uno all'altro, i loro orbitali di valenza si sovrappongono a causa dei quali gli elettroni si muovono liberamente da un orbitale all'altro e viene stabilito un legame tra tutti gli atomi di metallo. Il legame che viene effettuato da elettroni relativamente liberi tra ioni metallici in un reticolo cristallino è chiamato legame metallico. La connessione è altamente delocalizzata e manca di direzionalità e saturazione, perché gli elettroni di valenza sono distribuiti uniformemente in tutto il cristallo. La presenza di elettroni liberi determina l'esistenza delle proprietà generali dei metalli: opacità, lucentezza metallica, elevata conducibilità elettrica e termica, malleabilità e plasticità.

Legame idrogeno– legame tra l’atomo di H ed un elemento fortemente negativo (F, Cl, N, O, S). I legami idrogeno possono essere intra e intermolecolari. BC è più debole di un legame covalente. Il verificarsi delle scottature solari è spiegato dall'azione delle forze elettrostatiche. L'atomo di H ha un raggio piccolo e quando sposta o perde un singolo elettrone, H acquisisce una forte carica positiva, che influenza l'elettronegatività.

Non esiste una teoria unificata dei legami chimici; i legami chimici sono convenzionalmente suddivisi in covalenti (un tipo universale di legame), ionici (un caso speciale di legame covalente), metallici e idrogeno.

Legame covalente

La formazione di un legame covalente è possibile mediante tre meccanismi: scambio, donatore-accettore e dativo (Lewis).

Secondo meccanismo metabolico La formazione di un legame covalente avviene a causa della condivisione di coppie di elettroni comuni. In questo caso ogni atomo tende ad acquisire un guscio di gas inerte, cioè ottenere un livello di energia esterna completo. La formazione di un legame chimico per tipo di scambio è rappresentata utilizzando le formule di Lewis, in cui ciascun elettrone di valenza di un atomo è rappresentato da punti (Fig. 1).

Riso. 1 Formazione di un legame covalente nella molecola di HCl mediante il meccanismo di scambio

Con lo sviluppo della teoria della struttura atomica e della meccanica quantistica, la formazione di un legame covalente è rappresentata come la sovrapposizione di orbitali elettronici (Fig. 2).

Riso. 2. Formazione di un legame covalente dovuto alla sovrapposizione di nuvole di elettroni

Maggiore è la sovrapposizione degli orbitali atomici, più forte è il legame, minore è la sua lunghezza e maggiore è l'energia di legame. Un legame covalente può essere formato sovrapponendo orbitali diversi. Come risultato della sovrapposizione degli orbitali s-s, s-p, nonché degli orbitali d-d, p-p, d-p con lobi laterali, si verifica la formazione di legami. Si forma un legame perpendicolare alla linea che collega i nuclei di 2 atomi. Uno e un legame sono in grado di formare un legame covalente multiplo (doppio), caratteristico delle sostanze organiche della classe degli alcheni, degli alcadieni, ecc. Uno e due legami formano un legame covalente multiplo (triplo), caratteristico delle sostanze organiche della classe degli alchini (acetileni).

Formazione di un legame covalente da parte di meccanismo donatore-accettore Consideriamo l'esempio del catione ammonio:

NH3+H+ = NH4+

7 N 1s 2 2s 2 2p 3

L'atomo di azoto ha una coppia solitaria libera di elettroni (elettroni non coinvolti nella formazione di legami chimici all'interno della molecola) e il catione idrogeno ha un orbitale libero, quindi sono rispettivamente un donatore e un accettore di elettroni.

Consideriamo il meccanismo dativo della formazione del legame covalente usando l'esempio di una molecola di cloro.

17 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

L'atomo di cloro ha sia una coppia solitaria libera di elettroni che orbitali vuoti, pertanto può mostrare le proprietà sia di un donatore che di un accettore. Pertanto, quando si forma una molecola di cloro, un atomo di cloro funge da donatore e l'altro da accettore.

Principale Caratteristiche di un legame covalente sono: saturazione (i legami saturi si formano quando un atomo attacca a sé tanti elettroni quanti ne consentono le sue capacità di valenza; i legami insaturi si formano quando il numero di elettroni attaccati è inferiore alle capacità di valenza dell'atomo); direzionalità (questo valore è legato alla geometria della molecola e al concetto di "angolo di legame" - l'angolo tra i legami).

Legame ionico

Non esistono composti con un legame ionico puro, sebbene questo sia inteso come uno stato di atomi legati chimicamente in cui viene creato un ambiente elettronico stabile dell'atomo quando la densità elettronica totale viene completamente trasferita all'atomo di un elemento più elettronegativo. Il legame ionico è possibile solo tra atomi di elementi elettronegativi ed elettropositivi che si trovano nello stato di ioni con carica opposta - cationi e anioni.

DEFINIZIONE

Ione sono particelle caricate elettricamente formate dalla rimozione o dall'aggiunta di un elettrone a un atomo.

Quando trasferiscono un elettrone, gli atomi metallici e non metallici tendono a formare una configurazione stabile di guscio elettronico attorno al loro nucleo. Un atomo non metallico crea un guscio del gas inerte successivo attorno al suo nucleo e un atomo metallico crea un guscio del gas inerte precedente (Fig. 3).

Riso. 3. Formazione di un legame ionico usando l'esempio di una molecola di cloruro di sodio

Molecole in cui forma pura c'è un legame ionico trovato nello stato di vapore della sostanza. Il legame ionico è molto forte e quindi le sostanze con questo legame hanno un punto di fusione elevato. A differenza dei legami covalenti, i legami ionici non sono caratterizzati da direzionalità e saturazione, poiché il campo elettrico creato dagli ioni agisce allo stesso modo su tutti gli ioni a causa della simmetria sferica.

Collegamento in metallo

Il legame metallico si realizza solo nei metalli: questa è l'interazione che tiene gli atomi metallici in un unico reticolo. Solo gli elettroni di valenza degli atomi metallici appartenenti al suo intero volume partecipano alla formazione di un legame. Nei metalli, gli elettroni vengono costantemente strappati dagli atomi e si muovono attraverso l'intera massa del metallo. Gli atomi metallici, privati ​​di elettroni, si trasformano in ioni caricati positivamente, che tendono ad accettare elettroni in movimento. Questo processo continuo forma all’interno del metallo il cosiddetto “gas di elettroni”, che lega saldamente insieme tutti gli atomi del metallo (Fig. 4).

Il legame metallico è forte, quindi i metalli sono caratterizzati da un elevato punto di fusione e la presenza di "gas di elettroni" conferisce ai metalli malleabilità e duttilità.

Legame idrogeno

Un legame idrogeno è un'interazione intermolecolare specifica, perché la sua presenza e la sua forza dipendono dalla natura chimica della sostanza. Si forma tra molecole in cui un atomo di idrogeno è legato a un atomo con elevata elettronegatività (O, N, S). La formazione di un legame idrogeno dipende da due ragioni: in primo luogo, l'atomo di idrogeno associato ad un atomo elettronegativo non ha elettroni e può essere facilmente incorporato nelle nubi elettroniche di altri atomi, e, in secondo luogo, avendo un orbitale s di valenza, il l'atomo di idrogeno è in grado di accettare una coppia solitaria di elettroni di un atomo elettronegativo e di formare un legame con esso attraverso il meccanismo donatore-accettore.

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Ogni atomo ha un certo numero di elettroni.

Entrando reazioni chimiche, gli atomi donano, acquistano o condividono elettroni, ottenendo la configurazione elettronica più stabile. La configurazione con l'energia più bassa (come negli atomi dei gas nobili) risulta essere la più stabile. Questo modello è chiamato “regola dell’ottetto” (Fig. 1).

Riso. 1.

Questa regola vale per tutti tipi di connessioni. Le connessioni elettroniche tra gli atomi consentono loro di formare strutture stabili, dai cristalli più semplici alle biomolecole complesse che alla fine formano i sistemi viventi. Differiscono dai cristalli nel loro metabolismo continuo. Allo stesso tempo, molte reazioni chimiche procedono secondo i meccanismi trasferimento elettronico, che svolgono un ruolo fondamentale nei processi energetici nel corpo.

Un legame chimico è la forza che tiene insieme due o più atomi, ioni, molecole o qualsiasi combinazione di essi.

La natura di un legame chimico è universale: è una forza di attrazione elettrostatica tra elettroni caricati negativamente e nuclei carichi positivamente, determinata dalla configurazione degli elettroni del guscio esterno degli atomi. Si chiama la capacità di un atomo di formare legami chimici valenza, O stato di ossidazione. Il concetto di elettroni di valenza- elettroni che formano legami chimici, cioè situati negli orbitali a più alta energia. Di conseguenza, viene chiamato il guscio esterno dell'atomo contenente questi orbitali guscio di valenza. Attualmente non è sufficiente indicare la presenza di un legame chimico, ma è necessario chiarirne la tipologia: ionico, covalente, dipolo-dipolo, metallico.

Il primo tipo di connessione èionico connessione

Secondo la teoria della valenza elettronica di Lewis e Kossel, gli atomi possono raggiungere una configurazione elettronica stabile in due modi: in primo luogo, perdendo elettroni, diventando cationi, in secondo luogo, acquisirli, trasformarsi in anioni. In seguito al trasferimento di elettroni, a causa della forza di attrazione elettrostatica tra ioni con cariche di segno opposto, si forma un legame chimico, chiamato da Kossel “ elettrovalente"(ora chiamato ionico).

In questo caso, anioni e cationi formano una configurazione elettronica stabile con un guscio elettronico esterno pieno. I tipici legami ionici sono formati da cationi dei gruppi T e II del sistema periodico e anioni di elementi non metallici dei gruppi VI e VII (16 e 17 sottogruppi, rispettivamente, calcogeni E alogeni). I legami dei composti ionici sono insaturi e non direzionali, quindi mantengono la possibilità di interazione elettrostatica con altri ioni. Nella fig. Le Figure 2 e 3 mostrano esempi di legami ionici corrispondenti al modello di trasferimento elettronico di Kossel.

Riso. 2.

Riso. 3. Legame ionico in una molecola di sale da cucina (NaCl)

Qui è opportuno richiamare alcune proprietà che spiegano il comportamento delle sostanze in natura, in particolare considerare l'idea di acidi E ragioni.

Le soluzioni acquose di tutte queste sostanze sono elettroliti. Cambiano colore in modo diverso indicatori. Il meccanismo d'azione degli indicatori è stato scoperto da F.V. Ostwald. Ha dimostrato che gli indicatori sono acidi o basi deboli, il cui colore differisce negli stati indissociati e dissociati.

Le basi possono neutralizzare gli acidi. Non tutte le basi sono solubili in acqua (ad esempio, alcuni composti organici che non contengono gruppi OH sono insolubili, in particolare trietilammina N(C2H5)3); vengono chiamate basi solubili alcali.

Le soluzioni acquose di acidi subiscono reazioni caratteristiche:

a) con ossidi metallici - con formazione di sale e acqua;

b) con metalli - con formazione di sale e idrogeno;

c) con carbonati - con formazione di sale, CO 2 e N 2 O.

Le proprietà degli acidi e delle basi sono descritte da diverse teorie. Secondo la teoria di S.A. Arrhenius, un acido è una sostanza che si dissocia per formare ioni N+ , mentre la base forma ioni LUI- . Questa teoria non tiene conto dell'esistenza di basi organiche che non hanno gruppi idrossilici.

Secondo protone Secondo la teoria di Brønsted e Lowry, un acido è una sostanza contenente molecole o ioni che donano protoni ( donatori protoni) e una base è una sostanza costituita da molecole o ioni che accettano protoni ( accettatori protoni). Si noti che nelle soluzioni acquose gli ioni idrogeno esistono in forma idrata, cioè sotto forma di ioni idronio H3O+ . Questa teoria descrive le reazioni non solo con acqua e ioni idrossido, ma anche quelle effettuate in assenza di solvente o con un solvente non acquoso.

Ad esempio, nella reazione tra l'ammoniaca N.H. 3 (base debole) e acido cloridrico in fase gassosa, si forma cloruro di ammonio solido e in una miscela di equilibrio di due sostanze ci sono sempre 4 particelle, due delle quali sono acidi e le altre due sono basi:

Questa miscela di equilibrio è costituita da due coppie coniugate di acidi e basi:

1)N.H. 4+ e N.H. 3

2) HCl E Cl ‑

Qui, in ciascuna coppia coniugata, l'acido e la base differiscono di un protone. Ogni acido ha una base coniugata. Un acido forte ha una base coniugata debole e un acido debole ha una base coniugata forte.

La teoria di Brønsted-Lowry aiuta a spiegare il ruolo unico dell'acqua per la vita della biosfera. L'acqua, a seconda della sostanza che interagisce con essa, può presentare le proprietà di un acido o di una base. Ad esempio, nelle reazioni con soluzioni acquose Con l'acido acetico l'acqua è una base e con soluzioni acquose di ammoniaca è un acido.

1) CH3COOH + H2O ↔ H3O + + CH3COO- . Qui, una molecola di acido acetico dona un protone a una molecola d'acqua;

2) NH3 + H2O ↔ NH4 + + LUI- . Qui, una molecola di ammoniaca accetta un protone da una molecola d'acqua.

Pertanto, l'acqua può formare due coppie coniugate:

1) H2O(acido) e LUI- (base coniugata)

2) H3O+ (acido) e H2O(base coniugata).

Nel primo caso l'acqua dona un protone, nel secondo lo accetta.

Questa proprietà si chiama anfiprotonismo. Sostanze che possono reagire sia come acidi che come basi anfotero. Tali sostanze si trovano spesso nella natura vivente. Ad esempio, gli amminoacidi possono formare sali sia con acidi che con basi. Pertanto, i peptidi formano facilmente composti di coordinazione con gli ioni metallici presenti.

Così, immobile caratteristico legame ionico: il movimento completo di due elettroni di legame su uno dei nuclei. Ciò significa che tra gli ioni c'è una regione in cui la densità elettronica è quasi zero.

Il secondo tipo di connessione ècovalente connessione

Gli atomi possono formare configurazioni elettroniche stabili condividendo gli elettroni.

Un tale legame si forma quando una coppia di elettroni viene condivisa uno alla volta da tutti atomo. In questo caso, gli elettroni di legame condiviso sono distribuiti equamente tra gli atomi. Esempi di legami covalenti includono omonucleare biatomico molecole H 2 , N 2 , F 2. Lo stesso tipo di connessione si trova negli allotropi O 2 e ozono O 3 e per una molecola poliatomica S 8 e anche molecole eteronucleari cloruro di idrogeno HCl, anidride carbonica CO 2, metano CH 4, etanolo CON 2 N 5 LUI, esafluoruro di zolfo San Francisco 6, acetilene CON 2 N 2. Tutte queste molecole condividono gli stessi elettroni e i loro legami sono saturati e diretti allo stesso modo (Fig. 4).

Per i biologi è importante che i legami doppi e tripli abbiano raggi atomici covalenti ridotti rispetto a un legame singolo.

Riso. 4. Legame covalente in una molecola di Cl2.

I tipi di legami ionici e covalenti sono due casi estremi dei molti tipi esistenti di legami chimici, e in pratica la maggior parte dei legami sono intermedi.

I composti di due elementi situati alle estremità opposte dello stesso o di periodi diversi del sistema periodico formano prevalentemente legami ionici. Quando gli elementi si avvicinano tra loro all'interno di un periodo, la natura ionica dei loro composti diminuisce e il carattere covalente aumenta. Ad esempio, gli alogenuri e gli ossidi degli elementi sul lato sinistro della tavola periodica formano prevalentemente legami ionici ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), e gli stessi composti degli elementi sul lato destro della tabella sono covalenti ( H2O, CO2, NH3, NO2, CH4, fenolo C6H5OH, glucosio C6H12O6, etanolo C2H5OH).

Il legame covalente, a sua volta, ha un'altra modifica.

Negli ioni poliatomici e nelle molecole biologiche complesse, entrambi gli elettroni possono provenire solo da uno atomo. Si chiama donatore coppia di elettroni. Viene chiamato un atomo che condivide questa coppia di elettroni con un donatore accettore coppia di elettroni. Questo tipo di legame covalente si chiama coordinazione (donatore-accettore, Odativo) comunicazione(Fig. 5). Questo tipo di legame è molto importante per la biologia e la medicina, poiché la chimica degli elementi D più importanti per il metabolismo è in gran parte descritta dai legami di coordinazione.

Fico. 5.

Di norma, in un composto complesso l'atomo di metallo funge da accettore di una coppia di elettroni; nei legami ionici e covalenti, invece, l'atomo di metallo è un donatore di elettroni.

L'essenza del legame covalente e la sua varietà - il legame di coordinazione - possono essere chiarite con l'aiuto di un'altra teoria degli acidi e delle basi proposta da GN. Lewis. Ha in qualche modo ampliato il concetto semantico dei termini “acido” e “base” secondo la teoria di Brønsted-Lowry. La teoria di Lewis spiega la natura della formazione di ioni complessi e la partecipazione delle sostanze alle reazioni di sostituzione nucleofila, cioè alla formazione di CS.

Secondo Lewis un acido è una sostanza capace di formare un legame covalente accettando una coppia di elettroni da una base. Una base di Lewis è una sostanza che ha una coppia di elettroni solitari che, donando elettroni, forma un legame covalente con l'acido di Lewis.

Cioè, la teoria di Lewis espande la gamma delle reazioni acido-base anche alle reazioni a cui i protoni non partecipano affatto. Inoltre, il protone stesso, secondo questa teoria, è anche un acido, poiché è in grado di accettare una coppia di elettroni.

Pertanto, secondo questa teoria, i cationi sono acidi di Lewis e gli anioni sono basi di Lewis. Un esempio potrebbero essere le seguenti reazioni:

È stato notato sopra che la divisione delle sostanze in ioniche e covalenti è relativa, poiché il trasferimento completo di elettroni dagli atomi di metallo agli atomi accettori non avviene nelle molecole covalenti. Nei composti con legami ionici, ciascuno ione si trova nel campo elettrico degli ioni di segno opposto, quindi sono reciprocamente polarizzati e i loro gusci sono deformati.

Polarizzabilità determinato dalla struttura elettronica, dalla carica e dalla dimensione dello ione; per gli anioni è maggiore che per i cationi. La più alta polarizzabilità tra i cationi è per i cationi con carica più elevata e dimensioni più piccole, ad esempio, Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Al 3+, Tl 3+. Ha un forte effetto polarizzante N+ . Poiché l’influenza della polarizzazione ionica è bidirezionale, essa modifica significativamente le proprietà dei composti che formano.

Il terzo tipo di connessione èdipolo-dipolo connessione

Oltre ai tipi di comunicazione elencati, esistono anche dipolo-dipolo intermolecolare interazioni, chiamate anche van der Waals .

La forza di queste interazioni dipende dalla natura delle molecole.

Esistono tre tipi di interazioni: dipolo permanente - dipolo permanente ( dipolo-dipolo attrazione); dipolo permanente - dipolo indotto ( induzione attrazione); dipolo istantaneo - dipolo indotto ( dispersivo attrazione, o forze di Londra; riso. 6).

Riso. 6.

Solo le molecole con legami covalenti polari hanno un momento dipolo-dipolo ( HCl, NH 3, SO 2, H 2 O, C 6 H 5 Cl) e la forza del legame è 1-2 Debaya(1D = 3.338 × 10‑30 coulomb metri - C × m).

In biochimica esiste un altro tipo di connessione: idrogeno connessione, che è un caso limite dipolo-dipolo attrazione. Questo legame è formato dall'attrazione tra un atomo di idrogeno e un piccolo atomo elettronegativo, molto spesso ossigeno, fluoro e azoto. Con atomi di grandi dimensioni che hanno elettronegatività simile (come cloro e zolfo), il legame idrogeno è molto più debole. L'atomo di idrogeno si distingue per una caratteristica significativa: quando gli elettroni di legame vengono allontanati, il suo nucleo - il protone - viene esposto e non è più schermato dagli elettroni.

Pertanto, l'atomo si trasforma in un grande dipolo.

Un legame idrogeno, a differenza di un legame di van der Waals, si forma non solo durante le interazioni intermolecolari, ma anche all'interno di una molecola - intramolecolare legame idrogeno. I legami idrogeno svolgono un ruolo nella biochimica ruolo importante, ad esempio, per stabilizzare la struttura delle proteine ​​sotto forma di a-elica o per formare una doppia elica del DNA (Fig. 7).

Fig.7.

I legami idrogeno e van der Waals sono molto più deboli dei legami ionici, covalenti e di coordinazione. L'energia dei legami intermolecolari è indicata nella tabella. 1.

Tabella 1. Energia delle forze intermolecolari

Nota: Il grado delle interazioni intermolecolari è riflesso dall'entalpia di fusione ed evaporazione (ebollizione). I composti ionici richiedono molta più energia per separare gli ioni che per separare le molecole. L'entalpia di fusione dei composti ionici è molto più elevata di quella dei composti molecolari.

Il quarto tipo di connessione ècollegamento metallico

Infine, esiste un altro tipo di legami intermolecolari: metallo: connessione di ioni positivi di un reticolo metallico con elettroni liberi. Questo tipo di connessione non si verifica negli oggetti biologici.

Da una breve rassegna dei tipi di legame, diventa chiaro un dettaglio: un parametro importante di un atomo o ione metallico - un donatore di elettroni, così come un atomo - un accettore di elettroni, è il suo misurare.

Senza entrare nei dettagli, notiamo che i raggi covalenti degli atomi, i raggi ionici dei metalli e i raggi di van der Waals delle molecole interagenti aumentano all'aumentare del loro numero atomico nei gruppi della tavola periodica. In questo caso, i valori dei raggi ionici sono i più piccoli e i raggi di van der Waals sono i più grandi. Di norma, quando si scende nel gruppo, i raggi di tutti gli elementi aumentano, sia covalenti che di van der Waals.

Di grande importanza per biologi e medici sono coordinazione(donatore-accettante) legami considerati dalla chimica di coordinazione.

Bioinorganici medici. G.K. Barashkov

Qualsiasi interazione tra gli atomi è possibile solo se esiste un legame chimico. Tale connessione è la ragione per la formazione di un sistema poliatomico stabile: uno ione molecolare, una molecola, un reticolo cristallino. Un forte legame chimico richiede molta energia per rompersi, motivo per cui è la quantità base per misurare la forza del legame.

Condizioni per la formazione di un legame chimico

La formazione di un legame chimico è sempre accompagnata dal rilascio di energia. Questo processo avviene a causa di una diminuzione energia potenziale sistemi di particelle interagenti: molecole, ioni, atomi. L'energia potenziale del sistema risultante di elementi interagenti è sempre inferiore all'energia delle particelle in uscita non legate. Pertanto, la base per l'emergere di un legame chimico in un sistema è la diminuzione dell'energia potenziale dei suoi elementi.

Natura dell'interazione chimica

Un legame chimico è una conseguenza dell'interazione dei campi elettromagnetici che sorgono attorno agli elettroni e ai nuclei atomici di quelle sostanze che prendono parte alla formazione di una nuova molecola o cristallo. Dopo la scoperta della teoria della struttura atomica, la natura di questa interazione è diventata più accessibile allo studio.

L'idea della natura elettrica di un legame chimico venne per la prima volta dal fisico inglese G. Davy, il quale suggerì che le molecole si formassero a causa dell'attrazione elettrica di particelle caricate in modo opposto. Questa idea interessò il chimico e scienziato naturale svedese I.Ya. Bercellius, che sviluppò la teoria elettrochimica della formazione dei legami chimici.

La prima teoria, che spiegava i processi di interazione chimica delle sostanze, era imperfetta e col tempo dovette essere abbandonata.

La teoria di Butlerov

Un tentativo più riuscito di spiegare la natura del legame chimico delle sostanze è stato fatto dallo scienziato russo A.M. Questo scienziato ha basato la sua teoria sui seguenti presupposti:

• Gli atomi nello stato legato sono collegati tra loro in un certo ordine. Un cambiamento in questo ordine provoca la formazione di una nuova sostanza.
• Gli atomi si legano tra loro secondo le leggi della valenza.
• Le proprietà di una sostanza dipendono dall'ordine di connessione degli atomi nella molecola della sostanza. Una diversa disposizione provoca un cambiamento nelle proprietà chimiche della sostanza.
• Gli atomi collegati tra loro si influenzano fortemente a vicenda.

La teoria di Butlerov spiegava le proprietà delle sostanze chimiche non solo in base alla loro composizione, ma anche in base all'ordine di disposizione degli atomi. Questo ordine interno di A.M. Butlerov la chiamava “struttura chimica”.

La teoria dello scienziato russo ha permesso di ristabilire l'ordine nella classificazione delle sostanze e ha fornito l'opportunità di determinare la struttura delle molecole in base alle loro proprietà chimiche. La teoria ha anche risposto alla domanda: perché le molecole contenenti lo stesso numero di atomi hanno proprietà chimiche diverse.

Prerequisiti per la creazione di teorie del legame chimico

Nella sua teoria della struttura chimica, Butlerov non ha toccato la questione di cosa sia un legame chimico. Allora i dati disponibili per questo erano troppo pochi. struttura interna sostanze. Solo dopo la scoperta del modello planetario dell'atomo, lo scienziato americano Lewis iniziò a sviluppare l'ipotesi che un legame chimico nasca attraverso la formazione di una coppia di elettroni che appartiene contemporaneamente a due atomi. Successivamente, questa idea divenne la base per lo sviluppo della teoria dei legami covalenti.

Legame chimico covalente

Un composto chimico stabile può formarsi quando le nubi elettroniche di due atomi vicini si sovrappongono. Il risultato di tale intersezione reciproca è una crescente densità elettronica nello spazio internucleare. I nuclei degli atomi, come sappiamo, sono carichi positivamente e quindi cercano di avvicinarsi il più possibile alla nuvola elettronica caricata negativamente. Questa attrazione è molto più forte delle forze repulsive tra due nuclei carichi positivamente, quindi questa connessione è stabile.

I calcoli dei legami chimici furono eseguiti per la prima volta dai chimici Heitler e London. Hanno esaminato il legame tra due atomi di idrogeno. La rappresentazione visiva più semplice potrebbe assomigliare a questa:

Come puoi vedere, la coppia di elettroni occupa un posto quantico in entrambi gli atomi di idrogeno. Questa disposizione degli elettroni a due centri è chiamata “legame chimico covalente”. I legami covalenti sono tipici delle molecole di sostanze semplici e dei loro composti non metallici. Le sostanze create da legami covalenti solitamente non conducono elettricità o sono semiconduttori.

Legame ionico

Un legame chimico ionico si verifica quando due ioni con carica opposta si attraggono. Gli ioni possono essere semplici, costituiti da un atomo di una sostanza. Nei composti di questo tipo, gli ioni semplici sono spesso atomi metallici caricati positivamente dei gruppi 1 e 2 che hanno perso il loro elettrone. La formazione di ioni negativi è inerente agli atomi dei tipici non metalli e alle loro basi acide. Pertanto, tra i tipici composti ionici ci sono molti alogenuri di metalli alcalini, come CsF, NaCl e altri.

A differenza di un legame covalente, uno ione non è saturo: un numero variabile di ioni di carica opposta può unirsi a uno ione o a un gruppo di ioni. Il numero di particelle attaccate è limitato solo dalle dimensioni lineari degli ioni interagenti, nonché dalla condizione in cui le forze attrattive degli ioni con carica opposta devono essere maggiori delle forze repulsive delle particelle ugualmente cariche che partecipano al composto di tipo ionico.

Legame idrogeno

Anche prima della creazione della teoria della struttura chimica, è stato notato sperimentalmente che i composti dell'idrogeno con vari non metalli hanno proprietà alquanto insolite. Ad esempio, i punti di ebollizione dell’acido fluoridrico e dell’acqua sono molto più alti di quanto ci si potrebbe aspettare.

Queste e altre caratteristiche dei composti dell'idrogeno possono essere spiegate dalla capacità dell'atomo H+ di formare un altro legame chimico. Questo tipo di connessione è chiamata “legame idrogeno”. Le ragioni del verificarsi di un legame idrogeno risiedono nelle proprietà delle forze elettrostatiche. Ad esempio, in una molecola di acido fluoridrico, la nuvola elettronica totale è così spostata verso il fluoro che lo spazio attorno all'atomo di questa sostanza è saturo di un campo elettrico negativo. Attorno ad un atomo di idrogeno, privato del suo unico elettrone, il campo è molto più debole e presenta carica positiva. Di conseguenza, sorge un'ulteriore relazione tra i campi positivi delle nuvole elettroniche H + e negativi F - .

Legame chimico dei metalli

Gli atomi di tutti i metalli si trovano nello spazio in un certo modo. La disposizione degli atomi metallici è chiamata reticolo cristallino. In questo caso, gli elettroni di atomi diversi interagiscono debolmente tra loro, formando una nuvola elettronica comune. Questo tipo di interazione tra atomi ed elettroni è chiamato “legame metallico”.

È la libera circolazione degli elettroni nei metalli che può spiegare proprietà fisiche sostanze metalliche: conducibilità elettrica, conducibilità termica, resistenza, fusibilità e altri.