CHIMIE

Curs 2-Legatura covalenta

Conf. dr. ing. Nicoleta Badea

Legtura covalent - este legtura chimic format prin punerea de electroni n comun de ctre atomi, atomii avnd poziii fixe unii fa de alii.

Prin punerea n comun de electroni se formeaz molecule, atomii realiznd structuri stabile de dublet (H2) sau octet

Exemple de formare a legturii covalente. H2 H + H H:H

Atomii pot forma legturi covalente simple sau multiple: - legturi covalente simple H F; HOH; :NH3; CH4; - legturi covalente multiple ntre atomi de acelai fel (a) sau ntre atomi diferii (b)

(a) :=: :NN: =C=C= -CC- (b) O=C=O, O=S=O, HCN.

Legtura covalent poate fi de trei feluri, dup modalitatea de punere n comun a electronilor:

polar, nepolar; coordinativ

Legtura covalent nepolar se formeaz ntre atomii de aceeai specie sau ntre atomii de specii diferite care au electronegativiti foarte apropiate (acetia fiind C i H);

perechea de electroni care formeaz legtura covalent aparine n egal msura ambilor atomi;

centrul sarcinilor pozitive coincide cu centrul sarcinilor negative;

exemple de molecule nepolare: H2, Cl2, O2, N2.

De asemenea, molecule nepolare mai pot fi date moleculele de CH4,

CCl4, formate din atomi diferii, dar avnd o structur simetric.

H

C H

H H

Legtura covalent polar

- se formeaz doar ntre atomi ai nemetalelor din specii diferite. Fiecare dintre cei doi atomi pune n comun cte un electron, dar

atomul care are electronegativitatea mai mare atrage mai puternic

perechea format.

- centrul sarcinilor pazitive nu mai coincide cu centrul sarcinilor

negative;

- exemplu de molecule polare: NH3, H2O, HCl, etc.

- molecula polara este un dipol care se simbolizeaza:

- un dipol este caracterizat prin momentul de dipol (apare fenomenul

de polarizare) :

ClH

mC 2910dq

Legtura coordinativ (donor acceptor) este o legtur covalent n care perechea de electroni de legtur provine de la un singur atom donor, iar atomul care accept perechea de electroni acceptor.

Exemplu

:NH3 + BF3 = H3N BF3

Sgeata indic o legtura donor-acceptor, amoniacul fiind donorul iar atomul de bor (B) care are n BF3 doar 6 electroni de legtur n jurul su este acceptorul.

Combinaiile formate prin legturi coordinative denumite combinaii complexe sunt formate dintr-un ion central (metal) i liganzi. Liganzii pot fi molecule neutre sau anioni.

Exemple de liganzi:

[Cu(NH3)4]2+ + 2Cl- - clorur tetraaminocupru(II) [Co(NH3)6]2+ + 2Cl- - clorur hexaaminocobalt(II) Na+ + [Ag(CN)2]

- - dicianoargintat de sodiu

4K+ + [Fe(CN)6]4- - ferocianur de potasiu

Formarea legturilor chimice se poate explica prin hibridizare.

Hibridizarea are loc n procesul formrii legturii chimice.

Configuratia atomului de C este: 1s2 2s2 2p2

Tipuri de orbitali

hibridizai

Structur Geometrie Unghiuri Exemple

sp liniar 180o C2H2, CO, CO2, N2

sp2 triunghiular 120o C2H4, CH2O, COCl2

sp3 tetraedric 109,28o CH4, CCl4, SiF4,

dsp3

bipiramid trigonal

90o , 120o PCl5, Fe(CO)5

d2sp3

octaedric

90o SF6, [Fe(CN)6]3-

Caracteristicile legaturii covalente

orientat n spaiu dupa unghiuri bine stabilite;

este rigid (atomii ocup poziii fixe);

stabila, energia care se degaja la formarea legaturii covalente este egala dar de semn contrar cu energiile furnizate pentru ruperea legaturii

covalente;

este foarte puternic;

au puncte de topire scazute, duritate mica datorita legaturilor intermoleculare (leg. de hidrogen, leg. dipol dipol;

bune izolatoare ( nu exista purtatori de sarcini);

Substane covalente, ionice. Corelaie dintre structura i proprietile acestora

Diamantul

- n structura diamantului fiecare atom de carbon aflat n starea de

hibridizare sp3 este legat prin 4 covalene de ali 4 atomi de carbon dup o orientare tetraedric (fig. 1).

- Unghiul dintre dou valene este de 109o28, iar distanele interatomice sunt de 1,54 Ao.

- Celula elementar a diamantului este cubic.

Fig. 1 Structura chimic a diamantului

Proprietile diamantului

starea de agregare solid transparent, strlucitor, in stare pura este incolor i strveziu.

sublimeaz, la temperaturi de aproximativ 4000o C.

duritatea - cea mai dur substan natural cunoscut, duritatea acestuia fiind de 10 pe scara Mohs, variind n funcie de gradul de puritate a cristalului. Duritatea diamantului este explicat prin energiile de legtur C-C foarte mari;

densitatea diamantului este 3,51g/cm3;

proprietile optice - indicele de refracie mare (n = 2,407 pentru lumina roie i 2,465 cea violet);

proprieti electrice - izolator electric si termic, datorit faptului c toi electronii de valen sunt localizai n cadrul legturii covalente, ei neputndu - se mica liber;

reactivitate chimic diamantului este o substan inert. - nu se aprinde, n oxigen molecular, dect pe la 800o C;

- diamantul este insolubil n toi solvenii;

poliformismul diamant - grafit. - in condiii standard, diamantul este forma alotropic nestabil, iar grafitul cea stabil. - prin nclzire ndelungat la 1500o, n absena oxigenului, diamantul se transform n grafit.

Aplicaiile industriale ale diamantului sunt:

n industria bijuteriilor; n tehnologia semiconductorilor; n industria electronic prin aplicarea de straturi pe electrozi; n industria instrumentelor de tiat sau gurit fiind un material abraziv;

n medicin (chirurgie); n chimie.

Grafitul

Celula elementar a grafitului este de tip hexagonal. n structura grafitului atomii de carbon se gsesc n starea de

hibridizare sp2, formnd o reea bidimensional.

Fig. 2. Structura chimic a grafitului

Cristalul de grafit este format din straturi plane de atomi de carbon, care sunt aranjai n hexagoane sub form de faguri i legai ntre ei prin legturi slabe, de tip van der Waals.

Proprietile grafitului

stare de agregare grafitul este un solid de culoare neagr, care sublimeaz la o temperatur de 3825C, energia necesar ruperii legturilor de C fiind foarte mare;

duritate mic 1 pe scara Mohs, sub aciunea unor fore mecanice straturile hexagonale putnd fi presate uor proprietatea de clivaj.

densitatea grafitului - mic de 2,26 g/cm3, datorit structurii stratificate;

proprietile electrice ale grafitului pot fi explicate pe baza anizotropie (variaia proprietilor n funcie de direcie). Astfel, n plan paralel cu atomii, grafitul se comport ca un conductor metalic, n timp ce perpendicular pe planuri, grafitul secomport ca un semiconductor.

proprietile termica sunt influenate de anizotropie, astfel conductibilitatea termiceste de 200 ori mai mare n planurile paralele, dect n plan perpendicular.

proprieti magnetice grafitul devine magnetic bipolar numai dup o tratare pirolitic (nclzire);

proprietile lubrifiante ale grafitului pot fi explicate datorit clivajului uor al cristalelor, straturile de atomi pot aluneca unul n raport cu altul;

proprieti optice- indice de refracie n = 1,93-2,07 (rou). Grafitul absoarbe lumina datorit electronilor delocalizai (culoare neagr);

reactivitate chimic grafitul este mai reactiv dect diamantul. Este insolubil n acizi, ap sau ali solveni nepolari;

Sintetic grafitul se obine prin coxificarea (nclzirea sub un curent de aer la 3000 C) a materialelor bogate n C, cum sunt crbunele brun, antracenul , petrolul).

reprezint cea de-a treia form alotropic a carbonului;

a fost descoperita n anul 1985 n timpul unor experimente de spectroscopie laser de la Rice University de ctre profesori Robert F. Curl Jr., Richard E. Smalley i Sir Harold Kroto W.

n anul 1996 pentru aceast descoperire cercettorii au primit Premiul Nobel pentru chimie.

Fulerenele sferice arat ca o minge de fotbal, n timp fullerene cilindrice sunt cunoscute sub denumirea de nanotuburi de carbon

Fulerena

Fulerena are forma unei mingi de fotbal n care atomii de carbon

formeaz un icosaedru regulat, cu vrfurile tiate. Atomi de carbon care formeaz fulerena se gsesc n starea de hibridizare sp2.

Din punct de vedere al legturilor chimice dintre atomii de carbon constituei, fulerenele sunt nrudite structural cu grafitul.

Structura chimic a grafitului i a fulerenei

Proprietile fulerenelor:

starea de agregare -la temperatura ambiant C60 este o pulbere neagr, fotosensibil care i schimb culoarea sub aciunea radiaiilor UV medii. - sublimeaz, la temperaturi mai mici dect 183oC, moleculele C60 se organizeaz ntr-un solid cristalin cu reea cubic care se dizolv n toluen formnd o soluie de culoare roz. - sub aciunea radiaiilor laser polimerizeaz, polimerul nemaifiind solubil n toluen.

proprieti electrice - n forma cristalin, fulerena C60 este un izolator electric i termic, asemntor diamantului.

proprieti chimice - fulerenele sunt specii reactive, avnd tendina de a accepta electroni de la metale electropozitive (alcaline, alcalino

pamntoase sau chiar lanthanide);

Cei mai cunoscui compui metalici ai fulerenei sunt cunoscui sub denumirea de A3C60, n care unei molecule C60 i corespund trei atomi

metalici (n special K sau Rb). Aceti compui sunt supraconductori la temperaturi cuprinse n intervalul 19 - 40K.

- Fulerena este solubile n benzin, toluen, etc.

Posibile aplicaii ale fulerenelor:

n industria electronic (supraconductori de tipul A3C60);

n fotolitografie, la obinerea unor lacuri fotosensibile (datorit propritilor lor de a schimba culoarea la iradiere);

n industria chimic la ranforsarea polimerilor cu ajutorul nanotuburilor;

n industria energetic (pentru furnizarea sau stocarea energie, n pile solare i baterii, sau chiar drept combustibil de racheta);

n medicin: imagistica, drug delivery. Cercetrile n domeniul medical au dovedit c moleculele de fulerena au capacitatea, n anumite condiii, de a bloca virusul HIV.

Nanotuburi de carbon

-fac parte din clasa fulerenelor i pot prezenta proprieti electrice i de semiconductori.

Aplicaii ale nanotuburilor de carbon: - ecrane pentru TV, calculatoare, telefoane mobile;

- celule solare, baterii (sub form de foi de celuloz armate cu nanotuburi de carbon);

- tranzistoare;

- sisteme nanoelectromecanice, etc.

Graphenele

- substante descoperite recent;

- In 2010 Andre Geim and Konstantin Novoselov (University of

Manchester) au primit Premiul Nobel pentru Fizica;

- sunt substane compuse din C pur, n starea de hibridizare sp2, cu atomi aranjai ntr-un model hexagonal, similar cu grafit, aezai

ntr-un singur plan.

- legatura C-C din grafen este de aproximativ 0.142 nm, iar distanta interplanara de 0.335 nm.

Proprietati electrice semiconductor;

Proprietati optice

- prezinta o opacitate mare (absoarbe 2,3% din lumin alb);

- prezinta proprietati fotoconductoare

Proprietati chimice

slab reactiv;

- reactioneaza cu amestec de acizi (H2SO4 si HNO3)

Proprietati termice

- coeficientul de conductivitatea = 4.84 - 5.30 103 W m-1 K-1), este

mai mare dect pentru nanotuburi de carbon sau diamant.

Proprietati mecanice

- graphenele au rezisten la rupere de peste 100 de ori mai mare dect un film de oel

Aplicatii

- pentru electrozi transpareni, necesari n aplicaii cum ar fi: touchscreen, display-uri cu cristale lichide, celule fotovoltaice

organice, i organice emitoare de lumin cu diode (OLED), dispozitive de diagnostic;

- circuitele integrate - grafenele prezinta o mobilitate mare i zgomot redus, putnd fi folosite ca ntr-un canal tranzistor cu efect

de cmp.

n iunie 2011, cercetatorii IBM au creeat primul grafen bazat pe

circuit integrat, un radio de band larg, ce poate fi utilizat la frecvene de pn la 10 GHz, precum i temperaturi de pana la 127 de grade Celsius

- se gsete n natur sub trei forme cristaline: cuarul (sistem hexagonal), cristobalita (sistem cubic) i tridinitul (sistem cubic).

a) cuar

Proprietate a SiO2 de a se gsi sub mai multe forme cristaline se numete polimorfism.

Dioxidul de siliciu (SiO2)

b) tridinit

c) cristobalit

Structura chimic a SiO2: (a) cuar, (b)tridinit; (c) cristobalit

Reeaua cristalin a cuarului: reea atomic n care fiecare atom de Si se leag covalent cu patru

atomi de O dispui tetraedric, iar fiecare atom de O se leag de cei doi atomi de O vecini.

form elicoidal - reaea este format din tetraedre SiO4 cu fiecare atom de O reprezentnd un col comun a dou astfel de tetraedre;

Proprietile cuarului sunt corelate cu structura lui cristalin:

culoare - n stare pur cuarul este incolor, impuritile din cristal determin culoarea mineralului.

duritatea cuarului are valoarea 7 pe scara Mohs;

densitate mic de 2,65 g/cm3 datorit structurii afnate;

temperatura de topire ridicat cuprins ntre 1600o 1670o C, din cauza transformrilor polimorfe prezente n diferite proporii;

reactivitate chimic redus, fiind atacat la temperatura camerii de HF, fiind utilizat la fabricarea vaselor pentru reactivi.

proprieti optice cuarul este o substan optic activ: dup comportarea lui n lumina liniar polarizat, poate fi dextrogir, care rotete lumina spre dreapta, sau levogir, care rotete lumina spre stnga. Cuarul fiind transparent la radiaiile UV, se folosete pentru construirea lentilelor, cuvelor utilizate n spectroscopie.

Piezoelectricitate, cuarul manifest fenomenul de piezoelectricitate, care const n polarizarea electric a unor substane cristaline n urma unor deformri mecanice (efectul piezoelectric direct) sau modificarea dimensiunilor ntr-un cmp electric variabil (efect

piezoelectric invers).

n natur oxidul de aluminiu se gsete n dou forme cristaline:

forma , sistem hexagonal i forma , sistem cubic.

Cea mai rspndit form cristalin este forma , aceasta fiind numit i corindon.

Culoare: - - roie numite rubine, ce conin impuriti de oxid de crom; - albastre numite safire, ce conin impuriti de oxid de titan i fier.

Structura - corindonul prezint o reea cristalin ionic, ns legtura ionic

prezint un caracter parial covalent.

Oxidul de aluminiu

Proprietile corindonului

temperatur de topire ridicat de 2050o C datorit energiilor mari de reea;

duritate mare - 9 pe scara Mohs

rezisten mare la uzur;

conductibilitate electric i termic redus (constanta sa dielectric fiind 7,5); Ceramica pe baz de oxid de aluminiu la temperaturi joase este dielectric fiind folosit n industrie i tehnic ca izolatori.

proprietati optice - corindoritul este transparent pentru radiaiile UV i VIS i parial pentru IR, find folosit la fabricarea pismelor i lentilelor.

proprietatea de anizotropie optic - transmite lumina n mod diferit, n funcie de direcia de propagare a acesteia. Un obiect privit prin corindion apare dublu datorit fenomenului acestuia de birefrigen (de dubl refracie).

proprietati chimice - reactivitate chimic redus, doar HF l atac la temperatura de cca 300o C.

Aplicatii:

rubinul i safirul se utilizeaz n mecanica fin pentru construirea lagrelor pentru ceasornice i aparatele de mare precizie, cuitelor pentru balane i acelor pentru pick-uri. n industria abrazivelor (pietre de polizor i milgher i ca, corpuri de mcinare, cuite de strung, lagre, matrie. in industria electrotehnica - izolator

Lichidele ionice

Lichidele ionice sunt sruri n stare lichid, sruri a cror puncte de topire sunt mai mici de100 C.

Lichidele ionice sunt realizate din ioni sau pentru o scurt durat de timp din perechi de ioni.

Aplicatii - solveni puternici;

- electrolii, putnd fi utilizate la: baterii electrice;

- materiale de etanare din cauza presiune lor foarte sczut de vapori;

- lichide medii de stocare termice si fluide de transfer de cldur;

- industria alimentar i farmaceutic.