Teoria clasica a legaturii chimice (Kossell & Lewis)

Teoria clasica a legaturii chimice (Kossell & Lewis)

Conform teoriei clasice a legaturii chimice, nestabilitatea configuratiei electronice a unui atom izo­lat se manifesta prin tendinta lui de a-si realiza o configuratie de gaz inert. Aceasta si-o poate asi­gura din invelisurile altor atomi. Prin urmare atomii ce alcatuiesc diferitele substante au configuratii elec­tronice modificate. Nestabilitatea configuratiei este cu atat mai mare cu cat elementele sunt situate in sistemul periodic mai aproape de un gaz inert. 

1. Legatura ionica

Atomii elementelor din grupele 15-18 isi pot completa ultimul strat cu electroni pentru atingerea configuratiei stabile de octet cu un numar de electroni corespunzator diferentei dintre 18 si numarul grupei. Atomii elementelor care urmeaza imediat gazelor nobile pot pierde cu usurinta electronii exce­dentari in raport cu configuratia gazului inert ce ii precede. Numarul de electroni cu care s-a modificat configuratia atomului corespunde cu numarul de sarcini elementare ce poarta fiecare ion. Ionii pozitivi, numiti cationi, provin prin cedare de electroni iar cei negativi, anionii, prin acceptare de electroni (Fi­gura 8).

Na + Cl → Na⁺ Cl^-

1s² 2s² 2p⁶3s¹ 1s² 2s² 2p⁶3s²3p⁵ 1s² 2s² 2p⁶ 1s² 2s² 2p⁶3s²3p⁶

Figura 8. Formarea ionilor pozitivi si negativi prin cedare respectiv acceptare de electroni

In general ionii individuali, monoatomici, poarta un numar mic de sarcini, cationii au cel mult 3 sarcini pozitive iar anionii nu mai mult de doua. Dimensiunile atomilor sunt hotaratoare pentru tendinta de formare a ionilor. Atomii mici au electronii strans legati de nucleu astfel ca energia lor de ionizare este mare. Prin urmare din ei se formeaza cu greu cationi, in schimb fiindca au o mare afinitate pentru electroni dau cu usurinta nastere la anioni. Atomii cu volum mare retin mai slab electronii din stratul de valenta, energia lor de ionizare mica le permite sa formeze cu usurinta cationi. In concluzie un atom trece in stare de ion cu atat mai usor cu cat:

1) configuratia electronica atinsa e mai stabila

2) sarcina ionului e mai mica

3) atomul din care provine este mai mare pentru cation si mai mic pentru anion

Legatura ionica sau relatia ionica, consta astfel in atractia electrostatica ce se stabileste intre ionii de semn contrar care s-au format. Numarul de coordinatie sau de coordinare n.c. reprezinta numa­rul de particule care inconjoara o particula intr-o retea cristalina. In retelele ionice n.c. reprezinta nu­marul de ioni cu sarcini electrice opuse din jurul unui ion dat.

Figura 9. Cristalul de clorura de sodiu

Toti compusii ionici sunt substante solide , cristaline care cristalizeaza in retele ionice tridimen­sionale (Figura 9). Legatura ionica are urmatoarele caracteristici:

a) este puternica;

b) nu este directionata in spatiu - ionii creaza un camp electric de simetrie sferica, iar inter­actiunea intre ionii de semn contrar este identica in toate directiile;

c) nu este saturata - fiecare ion se inconjoara (in reteaua cristalina) de numarul maxim de ioni de semn contrar la distante permise de razele ionice.

 Compusii ionici au anumite caracteristici ce-i individualizeaza de restul compusilor si acestea sunt: - sunt din punct de vedere electric neutrii;

- sunt substante cristaline , solide cu puncte de topire si fierbere ridicat;

- nu formeaza molecule individuale, deci este incorecta utilizarea termenului de molecula in cazul compusilor ionici;

- au formula denumita formula elementara care reprezinta raportul numarului de ioni de semn contrar din reteaua cristalina a compusului;

- termenul de masa molara reprezinta masa unei formule elementare exprimata in grame.

Marea majoritate a compusilor ionici sunt oxizi (peroxizi sau superoxizi), saruri sau baze.

2. Legatura covalenta

Un alt mod de a atinge configuratia stabila de gaz nobil (octet electronic in stratul de valenta) consta in imperecherea, cuplarea de electroni periferici din stratul de valenta ce provin de la atomi diferiti. Daca un atom are un electron necuplat (nepereche), el si-l poate cupla (imperechea) cu un alt electron al altui atom formand o pereche comuna de electroni. Aceasta pereche de electroni leaga efectiv atomii intre ei, legatura numindu-se covalenta.

H + H → H:H sau H-H

H + Cl → H:Cl

N + N → N:::N sau NΞN

Regula octetului este valabila doar la elementele perioadei a doua. Ea nu poate explica formarea moleculelor PCl₅ sau SF₆ la care in jurul atomului central exista 10 respectiv 12 electroni. S-a observat ca exista o limitare a numarului de covalente pe care le poate forma un atom functie de numarul atomic Z (regula covalentei maxime Sidgwick) Z = 3 → 9 4 covalente

Z = 11 → 35 6 covalente

Z = 37 →104 8 covalente

Legatura covalenta se stabileste de regula intre atomi cu valori mari ale electronegativitatii dupa cum urmeaza :

- Atomii cu electronegativitati identice atunci cand se formeaza substante simple (elemen­tare) care pot fi molecule ( de ex. N₂,O₂,Cl₂,I₂,H₂,P₄-alb) sau macromolecule (C_diamant , Si, P_n (rosu)).

- atomii cu electronegativiati diferite atunci cand se formeaza substante compuse, care pot fi molecule mici (de ex. H₂O, HCl, NH₃) sau macromolecule (de ex.SiO₂);

- atomi ai elementelor cu caracter semimetalic (As₂O₃ sau Sb₂O₃);

- atomii elementelor cu caracter metalic in stari de oxidare superioare si atomii nemetalelor (ex.TiCl₄, SnBr₄,VOCl₃).

In moleculele covalente,atomii ocupa pozitii fixe unii fata de altii chiar si atunci cand acestia isi schimba starea de agregare, ceea ce nu e cazul la compusii ionici.Pozitiile fixe implica existenta unor distante anumite intre atomii constituienti precum si a unor directii, orientari fixe in spatiu a legaturilor covalente. Daca atomii uniti prin legaturi covalente sunt de acelasi fel atunci legatura co­valenta este nepolara sau inca homeopolara. Daca atomii uniti prin legaturi covalente sunt diferiti, atunci legatura covalenta este polara sau heteropolara si este reprezentata marcand atomii legaturii polare cu simbolurile δ⁺ si δ^- deasupra atomilor respectivi. Polaritatea unei legaturi covalente este determinata de electronegativitatea diferita a atomilor participanti la realizarea covalentei. Astfel de legaturi covalente, care prezinta poli de sarcini electrice (dipoli) se numesc legaturi polare sau legaturi covalente cu caracter partial ionic sau legaturi polarizate (Figura 10).

Figura 10. Legatura covalenta polara

Un caz particular al legaturii covalente este legatura coordinativa, cand perechea de electroni ce asigura legatura este pusa la dispozitie de un singur atom, dar este exploatata de amandoi atomii. O legatura coordinativa simpla este similara ca proprietati cu acel tip de legatura covalenta in care fie­care dintre electronii ce asigura legatura provine de la unul din atomii legati. O data formata lega­tura coordinativa, aceasta este identica cu celelalte legaturi covalente, ea deosebindu-se doar prin "istoria" electronilor sai.

Sarcina pozitiva care provine de la ionul de hidrogen se distribuie in mod uniform in intregul ansamblu al ionului NH₄⁺

Similar are loc formarea ionului de hidroniu: