Định nghĩa liên kết hóa học, đặc điểm, cách chúng được hình thành, các loại

các liên kết hóa học nó là lực lượng quản lý để giữ các nguyên tử tạo thành vật chất cùng nhau. Mỗi loại vật chất có một liên kết hóa học đặc trưng, ​​bao gồm sự tham gia của một hoặc nhiều electron. Do đó, các lực tham gia nguyên tử trong khí là khác nhau, ví dụ, từ kim loại.

Tất cả các yếu tố của bảng tuần hoàn (ngoại trừ khí heli và khí hiếm) có thể tạo thành liên kết hóa học với nhau. Tuy nhiên, bản chất của những thứ này được sửa đổi tùy thuộc vào yếu tố nào đến từ các electron tạo thành chúng. Một tham số thiết yếu để giải thích loại liên kết là độ âm điện.

Sự khác biệt về độ âm điện (ΔE) giữa hai nguyên tử xác định không chỉ loại liên kết hóa học, mà cả tính chất hóa lý của hợp chất. Các muối được đặc trưng bởi có liên kết ion (cao ΔE) và nhiều hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như vitamin B₁₂ (ảnh trên cùng), liên kết cộng hóa trị (thấp E).

Trong cấu trúc phân tử trên, mỗi dòng đại diện cho một liên kết cộng hóa trị. Các nêm chỉ ra rằng liên kết xuất hiện từ mặt phẳng (về phía đầu đọc) và các liên kết được gạch chân từ mặt phẳng (cách xa đầu đọc). Lưu ý rằng có các liên kết đôi (=) và một nguyên tử coban phối hợp với năm nguyên tử nitơ và chuỗi bên R.

Nhưng tại sao các liên kết hóa học như vậy được hình thành? Câu trả lời nằm ở sự ổn định năng lượng của các nguyên tử và electron tham gia. Sự ổn định này phải cân bằng các lực đẩy tĩnh điện có kinh nghiệm giữa các đám mây điện tử và hạt nhân, và lực hút được tạo ra bởi một hạt nhân trên các electron của nguyên tử lân cận.

Chỉ số

• 1 Định nghĩa về liên kết hóa học
• 2 Đặc điểm
• 3 Chúng được hình thành như thế nào
  • 3.1 Hợp chất hạt nhân A-A
  • 3.2 Hợp chất dị hợp A-B
• 4 loại
  • 4.1 - Liên kết cộng hóa trị
  • 4.2 - Liên kết ion
  • 4.3 Liên kết kim loại
• 5 ví dụ
• 6 Tầm quan trọng của liên kết hóa học
• 7 tài liệu tham khảo

Định nghĩa liên kết hóa học

Nhiều tác giả đã đưa ra định nghĩa về liên kết hóa học. Trong số đó, quan trọng nhất là hóa lý G. N. Lewis, người đã định nghĩa liên kết hóa học là sự tham gia của một cặp electron giữa hai nguyên tử. Nếu các nguyên tử A · và · B có thể cung cấp một electron, thì liên kết đơn giản A: B hoặc A-B sẽ được hình thành giữa chúng.

Trước khi hình thành liên kết, cả A và B được phân tách bằng một khoảng cách không xác định, nhưng khi liên kết bây giờ có một lực giữ chúng lại với nhau trong hợp chất lưỡng tính AB và khoảng cách (hoặc chiều dài) của liên kết.

Tính năng

Lực lượng này có đặc điểm gì giữ các nguyên tử lại với nhau? Chúng phụ thuộc nhiều hơn vào loại liên kết giữa A và B hơn là cấu trúc điện tử của chúng. Ví dụ, liên kết A-B là định hướng. Ý bạn là gì Lực tác dụng bởi sự kết hợp của cặp electron có thể được biểu diễn trên một trục (như thể nó là một hình trụ).

Tương tự như vậy, liên kết này đòi hỏi năng lượng để phá vỡ. Lượng năng lượng này có thể được biểu thị bằng đơn vị kJ / mol hoặc cal / mol. Khi đã cung cấp đủ năng lượng cho hợp chất AB (chẳng hạn bằng nhiệt), nó sẽ phân tách thành các nguyên tử A · và · B ban đầu.

Liên kết càng ổn định, lượng năng lượng cần thiết để tách các nguyên tử đã tham gia càng lớn.

Mặt khác, nếu liên kết trong hợp chất AB là ion, A⁺B^-, sau đó nó sẽ là một lực không định hướng. Tại sao? Vì A⁺ tác động một lực hấp dẫn lên B^- (và ngược lại) phụ thuộc nhiều vào khoảng cách phân tách cả hai ion trong không gian hơn là vị trí tương đối của chúng.

Trường hấp dẫn và lực đẩy này tập hợp các ion khác để tạo thành cái được gọi là mạng tinh thể (ảnh trên: cation A⁺ lời nói dối được bao quanh bởi bốn anion B^-, và bốn cation A⁺ và v.v.).

Chúng được hình thành như thế nào

Hợp chất hạt nhân A-A

Để một cặp electron tạo thành liên kết, có nhiều khía cạnh phải được xem xét trước tiên. Các hạt nhân, để nói rằng các hạt nhân của A, có các proton và do đó là dương. Khi hai nguyên tử A cách xa nhau, nghĩa là ở khoảng cách hạt nhân lớn (ảnh trên cùng), chúng không gặp phải bất kỳ sự hấp dẫn nào.

Khi chúng đến gần hai nguyên tử A, hạt nhân của chúng thu hút đám mây điện tử của nguyên tử lân cận (vòng tròn màu tím). Đây là lực hấp dẫn (A trên vòng tròn màu tím lân cận). Tuy nhiên, hai hạt nhân của A bị đẩy lùi bằng cách dương và lực này làm tăng năng lượng tiềm năng của liên kết (trục tung).

Có một khoảng cách hạt nhân trong đó năng lượng tiềm năng đạt đến mức tối thiểu; nghĩa là, cả lực hấp dẫn và lực đẩy đều cân bằng (hai nguyên tử của A ở phần dưới của hình ảnh).

Nếu khoảng cách này giảm sau thời điểm này, liên kết sẽ khiến hai hạt nhân đẩy lùi rất mạnh, làm mất ổn định hợp chất A-A.

Vì vậy, để liên kết được hình thành, phải có khoảng cách hạt nhân đầy đủ năng lượng; và ngoài ra, các quỹ đạo nguyên tử phải trùng nhau một cách chính xác để các electron được liên kết.

Các hợp chất dị nhân A-B

Điều gì xảy ra nếu thay vì hai nguyên tử của A tham gia một trong A và một nguyên tử khác của B? Trong trường hợp đó, đồ thị phía trên sẽ thay đổi vì một trong số các nguyên tử sẽ có nhiều proton hơn các nguyên tử khác và các đám mây điện tử có kích thước khác nhau.

Khi liên kết A - B được hình thành ở khoảng cách hạt nhân thích hợp, cặp electron sẽ được tìm thấy chủ yếu ở vùng lân cận của nguyên tử có độ âm điện lớn nhất. Điều này xảy ra với tất cả các hợp chất hóa học hạt nhân, tạo thành phần lớn các hợp chất đã biết (và sẽ được biết đến).

Mặc dù không được đề cập sâu, có rất nhiều biến số ảnh hưởng trực tiếp đến cách các nguyên tử tiếp cận và liên kết hóa học được hình thành; một số là nhiệt động lực học (là phản ứng tự phát?), điện tử (quỹ đạo của các nguyên tử đầy đủ hay trống rỗng) và các động học khác.

Các loại

Các liên kết trình bày một loạt các đặc điểm phân biệt chúng với nhau. Một số trong số chúng có thể được đóng khung trong ba phân loại chính: cộng hóa trị, ion hoặc kim loại.

Mặc dù có những hợp chất có liên kết thuộc về một loại duy nhất, nhưng nhiều hợp chất thực sự bao gồm một hỗn hợp các ký tự của mỗi loại. Thực tế này là do sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử tạo nên liên kết. Do đó, một số hợp chất có thể là cộng hóa trị, nhưng hiện diện trong liên kết của chúng một đặc tính ion nhất định.

Ngoài ra, loại liên kết, cấu trúc và khối lượng phân tử là các yếu tố chính xác định các tính chất vĩ mô của vật liệu (độ sáng, độ cứng, độ hòa tan, điểm nóng chảy, v.v.).

-Liên kết cộng hóa trị

Các liên kết cộng hóa trị là những liên kết đã được giải thích cho đến nay. Trong đó, hai quỹ đạo (mỗi electron trong mỗi) phải trùng với các hạt nhân tách ra ở khoảng cách hạt nhân thích hợp.

Theo lý thuyết về quỹ đạo phân tử (TOM), nếu sự chồng chéo của các quỹ đạo là phía trước, một liên kết sigma sẽ được hình thành (còn được gọi là liên kết đơn giản hoặc đơn giản). Trong khi nếu các quỹ đạo được hình thành bởi sự chồng chéo bên và vuông góc đối với trục bên trong, thì các liên kết π (gấp đôi và gấp ba) sẽ xuất hiện:

Liên kết đơn giản

Liên kết σ như có thể thấy trong hình ảnh được hình thành dọc theo trục nội hạt. Mặc dù nó không được hiển thị, A và B có thể có các liên kết khác, và do đó, môi trường hóa học riêng của chúng (các phần khác nhau của cấu trúc phân tử). Loại liên kết này được đặc trưng bởi sức mạnh quay của nó (xi lanh màu xanh lá cây) và bằng cách mạnh nhất trong tất cả.

Ví dụ, liên kết đơn giản của phân tử hydro có thể xoay trên trục nội hạt (H - H). Theo cách tương tự, một phân tử CA-AB giả thuyết có thể làm điều đó.

Các liên kết C-A, A-A và A-B xoay; nhưng nếu C hoặc B là các nguyên tử hoặc một nhóm các nguyên tử cồng kềnh, thì vòng quay A-A bị cản trở nghiêm trọng (vì C và B sẽ sụp đổ).

Liên kết đơn giản được tìm thấy trong hầu như tất cả các phân tử. Các nguyên tử của chúng có thể có bất kỳ sự lai hóa hóa học nào miễn là sự chồng chéo của các quỹ đạo của chúng là phía trước. Quay trở lại cấu trúc của vitamin B₁₂, bất kỳ dòng nào (-) chỉ ra một liên kết đơn (ví dụ: liên kết -CONH₂).

Liên kết đôi

Liên kết đôi đòi hỏi các nguyên tử có (thường) sp lai hóa². Liên kết p tinh khiết, vuông góc với ba quỹ đạo lai sp², tạo thành liên kết đôi, được hiển thị dưới dạng một tấm màu xám.

Lưu ý rằng cả liên kết đơn (hình trụ màu xanh lá cây) và liên kết đôi (tấm màu xám) cùng tồn tại cùng một lúc. Tuy nhiên, không giống như các liên kết đơn giản, đôi không có cùng tự do xoay quanh trục nội hạt. Điều này là do, để xoay, liên kết (hoặc trang tính) phải bị phá vỡ; quá trình cần năng lượng.

Ngoài ra, liên kết A = B có phản ứng mạnh hơn A-B. Độ dài của cái này nhỏ hơn và các nguyên tử A và B có khoảng cách hạt nhân nhỏ hơn; do đó, có lực đẩy lớn hơn giữa cả hai hạt nhân. Phá vỡ cả hai liên kết, đơn và đôi, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để tách các nguyên tử trong phân tử A-B.

Trong cấu trúc của vitamin B₁₂ một số liên kết đôi có thể được quan sát: C = O, P = O và trong các vòng thơm.

Liên kết ba

Liên kết ba thậm chí còn ngắn hơn liên kết đôi và vòng quay của nó bị suy giảm năng lượng nhiều hơn. Trong đó, hai liên kết π vuông góc được hình thành (các tấm màu xám và màu tím), cũng như một liên kết đơn giản.

Thông thường, sự lai hóa học của các nguyên tử A và B phải là sp: hai quỹ đạo sp cách nhau 180 ° và hai quỹ đạo p tinh khiết vuông góc với trước. Lưu ý rằng một liên kết ba giống như một bảng màu, nhưng không có sức mạnh xoay. Liên kết này có thể được biểu diễn đơn giản là A≡B (phân tử N≡N, N-nitơ₂).

Trong tất cả các liên kết cộng hóa trị, đây là phản ứng mạnh nhất; nhưng đồng thời, chất cần nhiều năng lượng hơn cho sự phân tách hoàn toàn các nguyên tử của nó (· A: +: B ·). Nếu vitamin B₁₂ có một liên kết ba trong cấu trúc phân tử của nó, tác dụng dược lý của nó sẽ thay đổi mạnh mẽ.

Trong liên kết ba, sáu electron tham gia; trong đôi, bốn electron; và trong đơn giản hay đơn giản, hai.

Sự hình thành của một hoặc nhiều liên kết cộng hóa trị này phụ thuộc vào tính khả dụng điện tử của các nguyên tử; nghĩa là, có bao nhiêu electron cần quỹ đạo của chúng để thu được một octet hóa trị.

Liên kết không phân cực

Một liên kết cộng hóa trị bao gồm sự chia sẻ công bằng của một cặp electron giữa hai nguyên tử. Nhưng điều này hoàn toàn đúng chỉ trong trường hợp cả hai nguyên tử có độ âm điện bằng nhau; đó là, cùng một xu hướng thu hút mật độ điện tử của môi trường của nó trong một hợp chất.

Liên kết không phân cực được đặc trưng bởi sự khác biệt về độ âm điện bằng không (ΔE≈0). Điều này xảy ra trong hai tình huống: trong một hợp chất đồng âm (A₂) hoặc nếu môi trường hóa học ở hai bên của liên kết là tương đương (H₃C-CH₃, phân tử ethane).

Ví dụ về các liên kết không phân cực được nhìn thấy trong các hợp chất sau:

-Hydro (H-H)

-Oxy (O = O)

-Nitơ (N≡N)

-Flo (F-F)

-Clo (Cl-Cl)

-Acetylen (HC≡CH)

Liên kết cực

Khi có sự khác biệt rõ rệt về độ âm điện ΔE giữa cả hai nguyên tử, một khoảnh khắc lưỡng cực được hình thành dọc theo trục liên kết: A^δ+-B^δ-. Trong trường hợp hợp chất dị nhân AB, B là nguyên tử có độ âm điện lớn nhất và do đó, có mật độ electron cao nhất δ-; trong khi A, độ âm điện nhỏ nhất, thiếu tải+.

Để các liên kết cực xảy ra, hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau phải được nối; và do đó, hình thành các hợp chất dị nhân. A-B giống như một nam châm: nó có cực dương và cực âm. Điều này cho phép nó tương tác với các phân tử khác thông qua lực lưỡng cực - lưỡng cực, trong số đó là các liên kết hydro.

Nước có hai liên kết cộng hóa trị có cực, H - O - H và hình học phân tử của nó là góc, làm tăng mômen lưỡng cực của nó. Nếu hình học của nó là tuyến tính, các đại dương sẽ bốc hơi và nước sẽ có điểm sôi thấp hơn.

Thực tế là một hợp chất có liên kết cực, nó không ngụ ý rằng nó là cực. Ví dụ, cacbon tetraclorua, CCl₄, có bốn liên kết cực C - Cl, nhưng bằng cách sắp xếp tứ diện của chúng, khoảnh khắc lưỡng cực kết thúc bằng cách hủy theo chiều dọc.

Liên kết lặn hoặc phối hợp

Khi một nguyên tử tạo ra một cặp electron để tạo liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử khác, thì chúng ta sẽ nói về một liên kết lặn hoặc phối trí. Ví dụ: có B: cặp electron có sẵn và A (hoặc A⁺), một vị trí tuyển dụng điện tử, liên kết B: A được hình thành.

Trong cấu trúc của vitamin B₁₂ năm nguyên tử nitơ được liên kết với trung tâm kim loại của Co bằng loại liên kết cộng hóa trị này. Những nitrogens này cung cấp cho cặp electron tự do của họ cho cation Co³⁺, phối hợp kim loại với chúng (Co³⁺: N-)

Một ví dụ khác có thể được tìm thấy trong việc tạo ra một phân tử amoniac để tạo thành amoni:

H₃N: + H⁺ => NH₄⁺

Lưu ý rằng trong cả hai trường hợp, đó là nguyên tử nitơ đóng góp các electron; do đó, liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết cộng hóa trị xảy ra khi một nguyên tử một mình đóng góp cặp electron.

Tương tự, phân tử nước có thể được proton hóa để chuyển thành cation hydronium (hoặc oxonium):

H₂O + H⁺ => H₃Ôi⁺

Không giống như cation amoni, hydronium vẫn có một cặp electron tự do (H₃Ôi⁺); tuy nhiên, rất khó chấp nhận một proton khác để tạo thành dihydrogen hydronium không ổn định, H₄Ôi²⁺.

-Liên kết ion

Hình ảnh cho thấy một ngọn đồi muối trắng. Các muối được đặc trưng bởi có cấu trúc tinh thể, nghĩa là đối xứng và có trật tự; điểm nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, độ dẫn điện cao khi nóng chảy hoặc hòa tan, đồng thời, các ion của chúng bị ràng buộc mạnh bởi các tương tác tĩnh điện.

Những tương tác này tạo nên cái được gọi là liên kết ion. Trong hình ảnh thứ hai, một cation A đã được hiển thị⁺ bao quanh bởi bốn anion B^-, nhưng đây là một đại diện 2D. Trong ba chiều, A⁺ nên có các anion B khác^- phía trước và phía sau mặt phẳng, tạo thành các cấu trúc khác nhau.

Vì vậy, một⁺ nó có thể có sáu, tám hoặc thậm chí mười hai người hàng xóm. Số lượng lân cận xung quanh một ion trong tinh thể được gọi là số phối trí (N.C). Đối với mỗi N.C, một kiểu sắp xếp tinh thể được liên kết, từ đó tạo thành một pha rắn của muối.

Các tinh thể đối xứng và mặt được nhìn thấy trong các muối là do trạng thái cân bằng được thiết lập bởi các tương tác thu hút (A⁺ B^-) và lực đẩy (A⁺ Một⁺, B^- B^-tĩnh điện).

Đào tạo

Nhưng, tại sao A + và B^-, hoặc Na⁺ và Cl^-, không hình thành liên kết cộng hóa trị Na-Cl? Bởi vì nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn nhiều so với kim loại natri, cũng được đặc trưng bởi rất dễ dàng từ bỏ các điện tử của nó. Khi các yếu tố này được tìm thấy, chúng phản ứng tỏa nhiệt để tạo ra muối ăn:

2Na + Cl₂(g) => 2NaCl (s)

Hai nguyên tử natri mang điện tử hóa trị duy nhất của chúng (Na ·) cho phân tử diatomic của Cl₂, để tạo thành anion Cl^-.

Sự tương tác giữa các cation natri và các anion clorua, mặc dù chúng đại diện cho một liên kết yếu hơn so với các liên kết cộng hóa trị, có thể giữ chúng liên kết mạnh trong chất rắn; và thực tế này được phản ánh trong điểm nóng chảy cao của muối (801ºC).

Liên kết kim loại

Cuối cùng của các loại liên kết hóa học là kim loại. Điều này có thể được tìm thấy trên bất kỳ mảnh kim loại hoặc hợp kim. Nó được đặc trưng bởi sự đặc biệt và khác biệt so với các loại khác, bởi vì các electron không truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, nhưng chúng di chuyển, giống như một biển, tinh thể kim loại.

Do đó, các nguyên tử kim loại, có thể nói là đồng, xen kẽ các quỹ đạo hóa trị của chúng với nhau để tạo thành các dải dẫn; theo đó các electron (s, p, d hoặc f) đi xung quanh các nguyên tử và giữ chúng liên kết chặt chẽ.

Tùy thuộc vào số lượng electron truyền qua tinh thể kim loại, quỹ đạo được cung cấp cho các dải và đóng gói các nguyên tử của chúng, kim loại có thể mềm (như kim loại kiềm), chất dẫn điện cứng, sáng hoặc tốt và nhiệt.

Lực giữ các nguyên tử kim loại, chẳng hạn như các lực tạo nên người đàn ông nhỏ bé trong ảnh và máy tính xách tay của anh ta, vượt trội hơn so với các muối.

Điều này có thể được xác minh bằng thực nghiệm vì các tinh thể của muối có thể tách thành nhiều nửa trước một lực cơ học; trong khi một mảnh kim loại (bao gồm các tinh thể rất nhỏ) bị biến dạng.

Ví dụ

Bốn hợp chất sau đây bao gồm các loại liên kết hóa học được giải thích:

-Natri florua, NaF (Na⁺F^-): ion.

-Natri, Na: kim loại.

-Flo, F₂ (F - F): cộng hóa trị không phân cực, vì có nullE null giữa cả hai nguyên tử vì chúng giống hệt nhau.

-Hydrogen fluoride, HF (H-F): cộng hóa trị có cực, vì trong hợp chất này, flo có độ âm điện cao hơn hydro.

Có các hợp chất, chẳng hạn như vitamin B₁₂, sở hữu cả liên kết cộng hóa trị có cực và ion (ở điện tích âm của nhóm photphat -PO₄^--). Trong một số cấu trúc phức tạp, chẳng hạn như cụm kim loại, tất cả các loại liên kết này có thể cùng tồn tại.

Vật chất cung cấp các ví dụ về liên kết hóa học trong tất cả các biểu hiện của nó. Từ hòn đá dưới đáy ao và nước bao quanh nó, đến những con cóc uốn éo ở rìa của nó.

Mặc dù các liên kết có thể đơn giản, nhưng sự sắp xếp số lượng và không gian của các nguyên tử trong cấu trúc phân tử mở đường cho sự đa dạng phong phú của các hợp chất.

Tầm quan trọng của liên kết hóa học

Tầm quan trọng của liên kết hóa học là gì? Số lượng hậu quả khôn lường sẽ giải phóng sự vắng mặt của liên kết hóa học làm nổi bật tầm quan trọng to lớn của nó trong tự nhiên:

-Không có nó, màu sắc sẽ không tồn tại, vì các electron của chúng sẽ không hấp thụ bức xạ điện từ. Các hạt bụi và băng có trong bầu khí quyển sẽ biến mất, và do đó, màu xanh của bầu trời sẽ chuyển sang màu tối.

-Carbon không thể tạo thành chuỗi vô tận của nó, từ đó hàng nghìn tỷ hợp chất hữu cơ và sinh học được tạo ra.

-Protein thậm chí không thể được định nghĩa trong các axit amin cấu thành của chúng. Đường và chất béo sẽ biến mất, cũng như bất kỳ hợp chất carbon nào trong các sinh vật sống.

-Trái đất sẽ hết khí quyển, vì nếu không có liên kết hóa học trong khí, sẽ không có lực để giữ chúng lại với nhau. Cũng không có sự tương tác giữa các phân tử nhỏ nhất giữa chúng.

-Các ngọn núi có thể biến mất, bởi vì đá và khoáng chất của chúng, mặc dù nặng, không thể chứa các nguyên tử của chúng được đóng gói bên trong các cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình của chúng.

-Thế giới sẽ được hình thành bởi các nguyên tử đơn độc không thể tạo thành các chất rắn hoặc lỏng. Điều này cũng sẽ dẫn đến sự biến mất của tất cả sự biến đổi của vật chất; đó là, sẽ không có phản ứng hóa học. Chỉ có khí thoáng qua mọi nơi.

Tài liệu tham khảo

1. Harry B. Gray. (1965). Electron và liên kết hóa học. W.A. BENJAMIN, INC. P 36-39.
2. Whites, Davis, Peck & Stanley. Hóa học (Tái bản lần thứ 8). Học tập CENGAGE, p 233, 251, 278, 279.
3. Tàu R. (2016). Liên kết hóa học. Lấy từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Các loại trái phiếu hóa học. (Ngày 3 tháng 10 năm 2006). Lấy từ: dwb4.unl.edu
5. Sự hình thành liên kết hóa học: Vai trò của electron. [PDF] Lấy từ: cod.edu
6. Nền tảng CK-12. (s.f.). Năng lượng và hình thành liên kết cộng hóa trị. Lấy từ: chem.libretexts.org
7. Quimitube (2012). Liên kết cộng hóa trị phối hợp hoặc dative. Lấy từ: quimitube.com