Investește în oameni !FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 –2013 Axa prioritară nr. 1 „Educația și formarea profesională în sprijinul creșterii economice și dezvoltării societății bazate pe cunoaștere”Domeniul major de intervenție 1.2 „Calitate în învățământul superior”

Numărul de identificare al contractului:POSDRU/156/1.2/G/138821 Beneficiar:Universitatea POLITEHNICA din BucureștiTitlul proiectului: Calitate, inovare, comunicare -instrumente eficiente utilizate pentru creșterea accesului și promovabilității în învățământul superior tehnic

Activitatea A5. Introducerea unor module specifice de pregătire a studenților în vederea asigurării de șanse egale

MODUL DE INSTRUIRE: CHIMIE

Curs: 13, Legătura chimică

Grupele: C2, C3, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12

Formatori:

OpreaOvidiuCristian , Tomas ȘtefanTheodor, Sava Daniel Florin, Neacșu IonelaAndreea

1

Legătura chimică

• Sub formă de atomi liberi pot exista numai gazele nobile, din grupa a VIII principală. Stratul lor de valenţă este complet ocupat cu electroni.

Toate celelalte elemente tind spre configuraţii de gaz nobil, indiferent dacă

acest fapt se manifestă prin cedare sau acceptare de electroni sau prin

punere în comun de electroni.

• Regula care guvernează modificarea numărului de electroni din atomi pentru a forma configuraţii mai stabile, de gaz nobil, este regula octetului.

Dacă un anume atom cedează, acceptă sau pune în comun electroni depinde

de poziţia atomului în tabelul periodic al elementelor.

• Orice compus, indiferent de natura legăturilor pe care le conţine, este neutru din punct de vedere electric.

PO

SDR

U/1

56

/1.2

/G/1

38

82

1

2

Legătura chimică

• Legături ionice

• Elementele din grupele I şi II principale posedă unul, respectiv doi electroni în stratul de valenţă. Este de aşteptat, fapt confirmat de experimente, ca ei să poată pierde uşor aceşti electroni;

• Se formează specii chimice ce conţin sarcini pozitive, numiţi cationi.Configuraţia acestor cationi sunt identice cu cele ale gazelor nobile (grupa VIII) din perioada anterioară.

• Exemplu

11Na : 1s22s22p63s1 → 11Na+ : 1s22s22p63s0 + e- (10Ne : 1s22s22p6)

PO

SDR

U/1

56

/1.2

/G/1

38

82

1

3

Legătura chimică

• Elementele din grupele VII şi VI principale posedă, în stratul de valenţă, cu unul, respectiv doi electroni mai puţin decât gazul nobil din aceeaşi perioadă.

• Ei pot accepta pierde uşor aceşti electroni şi să formeze specii chimice ce conţin sarcini negative, numiţi anioni.

• Configuraţiile acestor anioni sunt identice cu cele ale gazelor nobile (grupa VIII) din perioada respectivă.

• Exemplu

17Cl : 1s22s22p63s23p5 + e- → 17Cl- : 1s22s22p63s23p6 (18Ar : 1s22s22p63s23p6)

PO

SDR

U/1

56

/1.2

/G/1

38

82

1

4

Legătura chimică

• Un compus care conţine cationi şi anioni – compus ionic – şi care este neutru din punct de vedere electric va conţine un număr egal de sarcini negative şi pozitive, indiferent de la ce cationi şi anioni provin.

• De la ionii de mai sus se pot forma compusul: NaCl.

• Acesta conţine un număr egal de sarcini pozitive şi negative. Sarcina pozitivă a ionului de sodiu este compensată de sarcina negativă a ionului de clor.

• Legătura chimică care se formează între cationi şi anioni se numeşte legătură ionică.

• Legătura ionică este de natură electrostatică, foarte puternică şi nu este orientată în spaţiu. Ea stă la baza reţelelor ionice care sunt agregate tridimensionale de ioni.

• In cristalele de sare de bucătărie, NaCl, fiecare ion de sodiu este înconjurat de şase anioni de clor şi la rândul său un anion de clor este înconjurat de şase cationi de sodiu. Perechile învecinate de ioni nu pot fi individualizate. Compusul există numai în stare solidă.

5

Legătura chimică

• Atunci când clorura de sodiu este dizolvată în apă se formează ioni liberi.

• Existenţa ionilor în soluţii este dovedită de capaciatea unei soluţii de sare de a conduce curentul electric.

• Proprietăţile compuşilor ionici sunt:

- starea de agregare, compuşii ionici fiind de cele mai multe ori, la temperatura camerei substanţe solide, cristaline.

- punctele de topire şi de fierbere sunt ridicate. De asemenea densitatea acestor compuşi este ridicată.

- solubilitatea în solvenţi polari, mai ales în apă.

- conductibilitatea electrică a soluţiilor şi topiturilor de compuşi ionici. In stare solidă combinaţiile ionice nu sunt buni conductori ai curentului electric.

6

Legătura chimică

• Legături covalente

• Cum ar trebui să se comporte un atom situat în grupa IV principală, de exemplu carbonul: să se transforme, prin cedare de electroni în ioni C4+ şi să ajungă astfel la configuraţia atomului de heliu sau accepte 4 electroni, să formeze un anion C4- şi să ajungă la configuraţia atomului de neon?

In ambele cazuri densitatea de sarcină ar fi extrem de mare şi ionii sunt

foarte instabili.

• Pentru a explica aceste observaţii teoria lui Lewis pleacă de la conceptul că prin punerea în comun de electroni din stratul de valenţă un element se poate completa octetul (dubletul).

• Se formează astfel o legătură covalentă ce conţine doi electroni şi care aparţin, în egală măsură, celor doi atomi de la care au provenit.

• Ambii atomi îşi completează astfel octetul (dubletul). 7

Legătura chimică

• Cel mai simplu exemplu este atomul de hidrogen.

• Pentru a ajunge la configuraţia heliului el poate accepta un electron şi să formeze un ion hidrură H:-, sau poate pierde un electron şi să formeze un cation, H+ care este de fapt un proton liber.

• Nici una dintre speciile de mai sus nu apare liberă, ci doar în cursul reacţiilor sau în unii compuşi. Hidrogenul se prezintă sub forma unor molecule formate din doi atomi, moleculă diatomică, H2.

• Fiecare dintre atomii de hidrogen a pus în comun electronul pe care îl are, iar perechea de electroni formată aparţine în egală măsură fiecărui atom. Astfel fiecare atom are, simultan, configuraţia atomului de heliu.

8

H + . H. ..H H

+. . .

.H H HH

Legătura chimică

• In acest mod s-a format o moleculă covalentă stabilă în care cei doi atomi de hidrogen se leagă prin intermediul perechii de electroni.

• Spre deosebire de compuşii ionici, în moleculele covalente legătura formată nu va fi desfăcută de factori externi – cum ar fi dizolvarea în cazul legăturii ionice – decât în cazul unor reacţii chimice;

→ atunci molecula înceteză să mai existe ca entitate individuală.

• Metanul CH4, un gaz în care atomul de carbon central formează patru covalenţe cu câte un atom de hidrogen.

• Cele patru perechi de electroni completează octetul atomului de carbon şi, în acelaşi timp, fiecare dintre cele patru perechi de electroni completează dubletul celor patru atomi de hidrogen implicate în molecula de metan. Ruperea oricărei legături implică „distrugerea” moleculei de metan şi formarea altor compuşi chimici.

• În reacţia cu oxigenul are loc arderea când se rup toate legăturile C-H şi se formează dioxid de carbon şi apă (vapori de apă).

9

Legătura chimică

• Atomii din această grupa a VII-a – fluor, clor, brom iod – se regăsesc şi ei sub formă de molecule diatomice: F2, Cl2, Br2, I2.

• La fel atomii din perioada a doua, grupele V şi VI, N2 şi O2.

• Atomul de clor, de exemplu, nu se poate găsi liber!

• Explicaţia acestui fapt este acceaşi ca şi în cazul moleculei de hidrogen: cei doi atomi de clor pun în comun câte un electron pentru a-şi completa, fiecare, octetul.

• Legăturile care se formează se numesc legături σ şi se formează prin întrepătrundere directă între orbitali.

10

Cl + Cl : :. .

. .. .

. .. . Cl Cl : :. .

. .. .

. .:

+. .Cl

. .

. ..

. . .

. .

.

..

. .

. .Cl

. .

. ..

. . .

. .

.

... .

.. Cl

..

...

...

..

.

..

..

. .Cl

. .

. ..

. . .

. .

.

... .

Legătura chimică

• Atomul de oxigen are 6 electroni în stratul de valenţă iar în molecula diatomică neutră fiecare dintre atomi are un octet complet de electroni.

• Pentru aceasta trebuie ca fiecare dintre atomi să pună în comun câte doi electroni.

• Se formează implicit două legături covalente, corespunzător unei legături covalente duble. Una dintre legături este o legătură σ, cealaltă, care se formează prin întrepătrundere laterală este o legătură π.

• Atenţie, nu există legături π fără legături σ!

11

O + O : :. .

. .

. .. . O O

. .

. .. .

::. .

+. .

. .

. ..

. . .

. .

.

..

. .

. .. .

. ..

. . .

. .

.

..

. .

...

..

...

..

.

..

.. ..

..

.

. . .

. ...

.

OO O O

Legătura chimică

• In molecula diatomică de azot fiecare atom trebuie ca să pună în comun trei electroni pentru a forma trei legături covalente, astfel încât octetul fiecărui atom să fie complet.

• In toate exemplele de mai sus perechile de electroni puse în comun aparţin în egală măsură celor doi atomi, iar legătura este nepolară.

12

N + N : :.

. .

.. . N N :: : ::

+. .

. .

. ..

. . .

. ..

. .

. .

.

. ..

. . .

. .

.

...

.

...

.

..

..

.

.. . .

...

..

. .

. ....

N N N N

Legătura chimică

• Reprezentarea unei perechi de electroni care formează o covalenţă se face, convenţional, printr-o liniuţă. Bineînţeles că unei legături duble sau triple îi corespund două, şi respectiv trei liniuţe.

• Pentru substanţele ionice în care legătura se formează prin cedare, respectiv acceptare de electroni NU se foloseşte acest mod de scriere.

• O substanţă de tip Na-Cl NU ARE SENS, ea pur şi simplu NU EXISTĂ!13

Cl Cl C HH

H

H

O O N N

Legătura chimică

• Dacă între cei doi atomi care pun în comun electroni există o diferenţă mare de electronegativitate, perechea de electroni va fi mai puternic atrasă de atomul mai electronegativ.

• Într-o legătură covalentă formată între un atom de carbon şi unul de clor în care perechea de electroni va fi atrasă mai puternic de atomul mai electronegativ.

• Urmarea va fi că legătura covalentă va fi polarizată, iar o astfel de legătură este o legătură covalentă polară.

• Fiecare dintre cei doi atomi primeşte o sarcină electrică parţială care se notează cu δ+ sau δ-.

• Existenţa a doi poli induce apariţia unui moment de dipol în acest tip de legături.

• Momentul de dipol al moleculelor se notează μ, poate fi măsurat şi reprezinta suma vectorială a momentelor de dipol ale tuturor legăturilor.

14

Legătura chimică

• In seria derivaţilor halogenaţi ai metanului momentul de dipol este diferit de zero în clorura de metil, clorura de metilen, cloroform şi este zero în tetraclorura de carbon.

clorura de metil clorura de metilen cloroform tetraclorură de carbon

μ ≠ 0 μ ≠ 0 μ ≠ 0 μ = 0

Fiecare legătură clor – carbon este polară şi primii trei derivaţi sunt molecule polare. In tetraclorura de carbon fiecare legătură în parte este polară, dar, în ansamblul ei, molecula este nepolară, pentru că suma vectorială a momentelor de dipol ale legăturilor C-Cl din molecula simetrică este nulă.

15

C Cl CCl Cl C

Cl

Cl Cl C

Cl

Cl

Cl Cl

Legătura chimică

• În legăturile covalente întâlnite până acum fiecare dintre atomii participanţi contribuie cu unul sau mai mulţi electroni la formarea legăturii, astfel încât fiecare dintre atomii participanţi să posede un strat de valenţă complet (dublet sau octet).

• Dacă la formarea legăturii participă însă un atom care posedă un orbital ce acomodează o pereche de electroni şi un alt atom care are un orbital liber se poate forma un tip special de covalenţă: legătura covalent – coordinativă.

• Odată formată această legătură are aceleaşi carceteristici ca toate celelalte legături covalente din moleculă; ea diferă de o legătură covalentă doar prin modul în care s-a format, nu prin caracteristicile sale.

16

Legătura chimică

• Atomul de azot are o pereche de electroni neparticipanţi pe care o poate ceda unui ion de hidrogen (proton), formând astfel o legătură covalent –coordinativă. În ionul de amoniu însă toate legăturile sunt identice.

• Acest tip de legătură se întâlneşte cel mai des în combinaţiile complexe, în care orbitalii liberi ai unor atomi sau ioni metalici se completează cu perechi de electroni provenind de la molecule sau ioni care conţin perechi neparticipante de electroni.

• Hidroxidul tetraamino cupric [Cu(NH3)4](OH)2 sau reactivul Tollens, hidroxidul diaminoargentic [Ag(NH3)2]OH sunt compuşi care conţin legături covalent-coordinative. 17

:NH

H

H

+ H+ NH

H

H

N+

Legătura chimică

• Legăturile covalent-coordinative se reprezintă prin săgeţi ce pleacă de la atomul care cedează electroni la atomii care îi acceptă.

• Ftalocianina de cupru este un pigment albastru larg utilizat în diverse domenii – lacuri şi vopsele, înregistrarea electronică a datelor, electronică etc. – şi conţine două legături covalent coordinative. Acestea sunt reprezentate cu

săgeţi, de la atomii care cedează perechi de electroni (azot în cazul acesta) spre atomii care acceptă perechile de electroni (cupru).

18

N

N

N

N

N

N

N

N

Cu

Legătura chimică

• RECAPITULARE

• Atomii se pot lega între ei prin diverse tipuri de legături.

• Practic există două situaţii extreme:

- atunci când un atom cedează sau acceptă unul sau mai mulţi electroni, atomul primind astfel o sarcină electrică, + sau - . Speciile ionice care apar astfel, cationi (+) sau anioni (-), se atrag electrostatic şi formează combinaţii ionice. Legăturile ionice nu sunt orientate în spaţiu, iar compuşii au puncte de topire şi fierbere ridicate şi sunt solubile în solvenţi polari, mai ales în apă;

- atunci când doi atomi pun în comun câte un electron se formează o legătură covalentă. Legătura covalentă este orientată în spaţiu, iar orice perturbare a unei legături covalente conduce la formarea unui compus nou.

• Formarea unor legături covalente multiple – duble sau triple – implică existenţa a două tipuri de legături covalente:

• - σ format prin întrepăturundere frontală între 2 orbitali;

• - π format prin întrepăturundere laterală între 2 orbitali.

Intre doi atomi nu poate exista decât o legătură σ, dar pot exista mai multe legături π.

• ATENTIE! Un atom poate forma mai multe legături σ, dar nu cu acelaşi atom.

19