Enlace covalente

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Enlace covalente (del lat.  co  - "juntos" y vales  - "que tiene fuerza") - enlace químicoformado por la superposición (socialización) de un par de nubes de electrones de valencia (ubicados en la capa externa del átomo ) . Las nubes de electrones (electrones) que proporcionan la comunicación se denominan par de electrones común .

El enlace covalente incluye muchos tipos de interacciones, incluido el enlace σ, el enlace π, el enlace metálico , el enlace banana y el enlace de tres centros de dos electrones [1] [2] .

Teniendo en cuenta la interpretación estadística de la función de onda de M. Born , la densidad de probabilidad de encontrar electrones de enlace se concentra en el espacio entre los núcleos de la molécula (Fig. 1). En la teoría de la repulsión de pares de electrones , se consideran las dimensiones geométricas de estos pares. Entonces, para los elementos de cada período, existe un cierto radio promedio del par de electrones ( Å ): 0.6 para elementos hasta el neón; 0,75 para elementos hasta argón; 0,75 para elementos hasta kriptón y 0,8 para elementos hasta xenón [3] .

Propiedades características de un enlace covalente

Las propiedades características de un enlace covalente (direccionalidad, saturación, polaridad, polarizabilidad) determinan las propiedades químicas y físicas de los compuestos.

• La dirección del enlace se debe a la estructura molecular de la sustancia y la forma geométrica de su molécula.

Los ángulos entre dos enlaces se llaman ángulos de enlace.

• La saturabilidad es la capacidad de los átomos para formar un número limitado de enlaces covalentes. El número de enlaces formados por un átomo está limitado por el número de sus orbitales atómicos exteriores .

• La polaridad del enlace se debe a la distribución desigual de la densidad electrónica debido a las diferencias en la electronegatividad de los átomos.

Sobre esta base, los enlaces covalentes se dividen en no polares y polares (no polares: una molécula diatómica consta de átomos idénticos (H 2 , Cl 2 , N 2 ) y las nubes de electrones de cada átomo se distribuyen simétricamente con respecto a estos átomos; polar: una molécula diatómica consta de átomos de diferentes elementos químicos, y la nube de electrones general se desplaza hacia uno de los átomos, formando así una asimetría en la distribución de la carga eléctrica en la molécula, generando el momento dipolar de la molécula) .

• La polarizabilidad de un enlace se expresa en el desplazamiento de los electrones del enlace bajo la influencia de un campo eléctrico externo, incluido el de otra partícula que reacciona. La polarizabilidad está determinada por la movilidad de los electrones . La polaridad y la polarizabilidad de los enlaces covalentes determinan la reactividad de las moléculas con respecto a los reactivos polares.

Los electrones son más móviles cuanto más lejos están de los núcleos.

Sin embargo, el dos veces ganador del Premio Nobel L. Pauling señaló que “en algunas moléculas existen enlaces covalentes debidos a uno o tres electrones en lugar de un par común” [4] . Se realiza un enlace químico de un electrón en el ion de hidrógeno molecular H 2 + .

El ion de hidrógeno molecular H 2 + contiene dos protones y un electrón. El único electrón del sistema molecular compensa la repulsión electrostática de dos protones y los mantiene a una distancia de 1,06 Å ( la longitud del enlace químico H 2 + ). El centro de la densidad electrónica de la nube de electrones del sistema molecular equidista de ambos protones por el radio de Bohr α 0 =0.53 A y es el centro de simetría del ion hidrógeno molecular H 2 + .

Historia del término

El término "enlace covalente" fue introducido por primera vez por el ganador del Premio Nobel Irving Langmuir en 1919 [5] [4] . El término se refería a un enlace químico , debido a la posesión compartida de electrones , a diferencia de un enlace metálico , en el que los electrones estaban libres, o de un enlace iónico , en el que uno de los átomos donaba un electrón y se convertía en catión . y el otro átomo aceptó un electrón y se convirtió en un anión .

Posteriormente (1927), F. London y W. Heitler , utilizando el ejemplo de una molécula de hidrógeno, dieron la primera descripción de un enlace covalente desde el punto de vista de la mecánica cuántica .

Educación en comunicación

Un enlace covalente está formado por un par de electrones compartidos entre dos átomos, y estos electrones deben ocupar dos orbitales estables, uno de cada átomo [6] .

A + B → A: B

Como resultado de la socialización, los electrones forman un nivel de energía lleno. Se forma un enlace si su energía total en este nivel es menor que en el estado inicial (y la diferencia de energía no será más que la energía del enlace ).

De acuerdo con la teoría de los orbitales moleculares , la superposición de dos orbitales atómicos conduce en el caso más simple a la formación de dos orbitales moleculares (MO): MO enlazante y MO antienlazante (aflojamiento) . Los electrones compartidos se encuentran en un OM de enlace de menor energía.

Formación de un enlace durante la recombinación de átomos

Los átomos y los radicales libres son propensos a la recombinación  : la formación de un enlace covalente mediante la socialización de dos electrones desapareados que pertenecen a partículas diferentes.

La formación de un enlace durante la recombinación va acompañada de la liberación de energía. Entonces, durante la interacción de los átomos de hidrógeno , se libera energía en la cantidad de 436 kJ/mol. Este efecto se utiliza en la tecnología de soldadura de hidrógeno atómico. El flujo de hidrógeno pasa a través de un arco eléctrico, donde se genera un flujo de átomos de hidrógeno. Luego, los átomos se vuelven a conectar en una superficie metálica colocada a poca distancia del arco. El metal se puede calentar por encima de 3500 °C de esta manera. La gran ventaja de la "llama de hidrógeno atómico" es la uniformidad del calentamiento, que permite soldar piezas metálicas muy finas [7] .

Sin embargo, el mecanismo de las interacciones interatómicas e intermoleculares no covalentes permaneció desconocido durante mucho tiempo. Solo en 1930, F. London introdujo el concepto de atracción de dispersión: la interacción entre dipolos instantáneos e inducidos (inducidos). En la actualidad, las fuerzas de atracción debidas a la interacción entre los dipolos eléctricos fluctuantes de los átomos y las moléculas se denominan fuerzas de dispersión o de London .

La energía de tal interacción es directamente proporcional al cuadrado de la polarizabilidad electrónica α e inversamente proporcional a la distancia entre dos átomos o moléculas a la sexta potencia [8] .

Formación de enlaces por el mecanismo donante-aceptor

Además del mecanismo homogéneo para la formación de un enlace covalente, existe un mecanismo heterogéneo, la interacción de iones con carga opuesta  , el protón H + y el ion de hidrógeno negativo H - , llamado ion hidruro :

Cuando los iones se acercan, la nube de dos electrones (par de electrones) del ion hidruro es atraída por el protón y finalmente se vuelve común a ambos núcleos de hidrógeno, es decir, se convierte en un par de electrones de unión. La partícula que suministra un par de electrones se llama donante, y la partícula que acepta este par de electrones se llama aceptor. Tal mecanismo para la formación de un enlace covalente se denomina donante-aceptor [9] .

La distribución de la densidad de electrones entre los núcleos de una molécula de hidrógeno es la misma, independientemente del mecanismo de formación, por lo que es incorrecto llamar enlace químico obtenido por el mecanismo donador-aceptor enlace donante-aceptor.

Como donante de pares de electrones, además del ion hidruro, actúan compuestos de elementos de los principales subgrupos de los grupos V-VII del sistema periódico de elementos en el estado de oxidación más bajo del elemento. Entonces, incluso Johannes Brönsted estableció que el protón no existe en solución en forma libre, en el agua forma un catión de oxonio :

El protón ataca el par de electrones solitario de la molécula de agua y forma un catión estable que existe en soluciones acuosas de ácidos [10] .

De manera similar, un protón se une a una molécula de amoníaco con la formación de un catión de amonio complejo :

De esta forma (según el mecanismo donador-aceptor de formación de enlaces covalentes) se obtiene una gran clase de compuestos onio , que incluye amonio , oxonio, fosfonio, sulfonio y otros compuestos [11] .

Una molécula de hidrógeno puede actuar como donante de un par de electrones que, al entrar en contacto con un protón, da lugar a la formación de un ion de hidrógeno molecular H 3 + :

El par de electrones de enlace del ion de hidrógeno molecular H 3 + pertenece simultáneamente a tres protones.

Tipos de enlaces covalentes

Hay dos tipos de enlaces químicos covalentes que difieren en el mecanismo de formación:

1. Enlace covalente simple . Para su formación, cada uno de los átomos aporta un electrón desapareado. Cuando se forma un enlace covalente simple, las cargas formales de los átomos permanecen sin cambios.

• Si los átomos que forman un enlace covalente simple son los mismos, entonces las cargas reales de los átomos en la molécula también son las mismas, ya que los átomos que forman el enlace comparten igualmente un par de electrones. Tal enlace se llama enlace covalente no polar . Muchas sustancias simples tienen un enlace de este tipo , por ejemplo: O 2 , N 2 , Cl 2 .
• Si los átomos son diferentes, entonces el grado de propiedad de un par de electrones socializados está determinado por la diferencia en la electronegatividad de los átomos. Un átomo con mayor electronegatividad atrae hacia sí un par de electrones de enlace con más fuerza y ​​su verdadera carga se vuelve negativa. Un átomo con menor electronegatividad adquiere, respectivamente, la misma carga positiva. Si se forma un compuesto entre dos no metales diferentes , dicho compuesto se denomina enlace polar covalente .

2. Vínculo donante-receptor . Para la formación de este tipo de enlace covalente, uno de los átomos, el donante , proporciona ambos electrones . El segundo de los átomos involucrados en la formación de un enlace se llama aceptor . En la molécula resultante, la carga formal del donante aumenta en uno, mientras que la carga formal del aceptor disminuye en uno.

Un enlace semipolar (semipolar) puede considerarse como un enlace polar donante-aceptor. Este tipo de enlace covalente se forma entre un átomo que tiene un par de electrones no compartido ( nitrógeno , fósforo , azufre , halógenos , etc.) y un átomo con dos electrones no apareados ( oxígeno , azufre ). La formación de un enlace semipolar se produce en dos etapas:

1. Transferencia de un electrón de un átomo con un par de electrones no compartido a un átomo con dos electrones no apareados. Como resultado, un átomo con un par de electrones no compartidos se convierte en un catión radical (una partícula cargada positivamente con un electrón desapareado), y un átomo con dos electrones desapareados en un anión radical (una partícula cargada negativamente con un electrón desapareado). 2. Socialización de electrones desapareados (como en el caso de un enlace covalente simple).

Cuando se forma un enlace semipolar, un átomo con un par de electrones no compartidos aumenta su carga formal en uno, y un átomo con dos electrones no apareados disminuye su carga formal en uno.

Enlace σ y enlace π

Enlaces sigma (σ) , pi (π)  : una descripción aproximada de los tipos de enlaces covalentes en las moléculas de varios compuestos, el enlace σ se caracteriza por el hecho de que la densidad de la nube de electrones es máxima a lo largo del eje que conecta los núcleos de los átomos. Cuando se forma un enlace, se produce el llamado solapamiento lateral de las nubes de electrones, y la densidad de la nube de electrones es máxima "por encima" y "por debajo" del plano del enlace σ. Por ejemplo, tome etileno , acetileno y benceno .

En la molécula de etileno C 2 H 4 hay un doble enlace CH 2 \u003d CH 2 , su fórmula electrónica es: H: C:: C: H. Los núcleos de todos los átomos de etileno están ubicados en el mismo plano. Tres nubes de electrones de cada átomo de carbono forman tres enlaces covalentes con otros átomos en el mismo plano (con ángulos entre ellos de unos 120°). La nube del cuarto electrón de valencia del átomo de carbono se encuentra por encima y por debajo del plano de la molécula. Estas nubes de electrones de ambos átomos de carbono, superpuestas parcialmente por encima y por debajo del plano de la molécula, forman un segundo enlace entre los átomos de carbono. El primer enlace covalente más fuerte entre los átomos de carbono se llama enlace σ; el segundo enlace covalente menos fuerte se llama enlace.

En una molécula de acetileno lineal

Н—С≡С—Н (Н : С ::: С : Н)

hay enlaces σ entre átomos de carbono e hidrógeno, un enlace σ entre dos átomos de carbono y dos enlaces σ entre los mismos átomos de carbono. Dos enlaces están ubicados por encima de la esfera de acción del enlace σ en dos planos perpendiculares entre sí.

Los seis átomos de carbono de la molécula de benceno cíclico C 6 H 6 se encuentran en el mismo plano. Los enlaces σ actúan entre átomos de carbono en el plano del anillo; existen los mismos enlaces para cada átomo de carbono con átomos de hidrógeno. Cada átomo de carbono gasta tres electrones para formar estos enlaces. Las nubes de los cuartos electrones de valencia de los átomos de carbono, que tienen forma de ocho, se ubican perpendiculares al plano de la molécula de benceno. Cada una de esas nubes se superpone igualmente con las nubes de electrones de los átomos de carbono vecinos. En la molécula de benceno, no se forman tres enlaces separados, sino un sistema de un solo electrón de seis electrones, común a todos los átomos de carbono. Los enlaces entre los átomos de carbono en la molécula de benceno son exactamente los mismos.

Ejemplos de sustancias con enlace covalente

Un enlace covalente simple conecta átomos en las moléculas de gases simples (H 2 , Cl 2 , etc.) y compuestos (H 2 O, NH 3 , CH 4 , CO 2 , HCl, etc.). Compuestos con un enlace donador-aceptor - amonio NH 4 + , anión tetrafluoroborato BF 4 - y otros Compuestos con un enlace semipolar - óxido nitroso N 2 O, O - -PCl 3 + .

Los cristales con un enlace covalente son dieléctricos o semiconductores . Ejemplos típicos de cristales atómicos (los átomos en los que están interconectados por enlaces covalentes (atómicos)) son el diamante , el germanio y el silicio .

Véase también

• Vínculo donante-aceptor
• Polarización de enlace químico
• Enlace iónico
• conexión metálica
• recombinación

Notas

1. ↑ Marzo, Jerry. Química orgánica avanzada: reacciones, mecanismos y  estructura . - John Wiley & Sons , 1992. - ISBN 0-471-60180-2 .
2. ↑ Gary L. Miessler; Donald Arthur Tarr. Química Inorgánica  (neopr.) . -Prentice Hall , 2004. -ISBN 0-13-035471-6 .
3. ↑ Gillespie R. Geometría de moléculas. - M. : "Mir", 1975. - S. 49. - 278 p.
4. ↑ 1 2 L. Pauling. La naturaleza del enlace químico. - M. - L .: Editorial de literatura química, 1947. - S. 16. - 440 p.
5. ↑ I. Langmuir. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. - 1919. - T. 41. - 868 p.
6. ↑ Pauling.L., Pauling P. Química. - "Mir", 1978. - S. 129. - 684 p.
7. ↑ Nekrasov B.V. Curso de química general. - 14. - M. : ed. literatura química, 1962. - S. 110. - 976 p.
8. ↑ Daniels F., Alberti R. Química física. - M. : "Mir", 1978. - S. 453. - 646 p.
9. ↑ Akhmetov N. S. Química inorgánica. - ed. 2da revisión y adicionales.. - M. : Escuela Superior, 1975. - S. 60. - 672 p.
10. ↑ Diccionario enciclopédico químico / Cap. edición I. L. Knunyants. - M . : Sov. enciclopedia, 1983. - S.  132 . — 792 pág.
11. ↑ Libro de oro de la IUPAC de compuestos de onio . Consultado el 20 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 15 de noviembre de 2016. (indefinido)

Literatura

• "Diccionario Enciclopédico Químico", M., "Enciclopedia Soviética", 1983, p.264.

diccionarios y enciclopedias	Gran danés gran noruego Gran soviet (1 ed.) Britannica (en línea)

enlace químico
interacción intramolecular	enlace covalente enlace sencillo Polar no polar Enlace múltiple enlace σ enlace π enlace δ Enlace φ Doble enlace enlace triple Enlace cuádruple Cinco enlaces Conexión de engranajes Enlace de coordinación Interacción donante-aceptor Conexión semipolar Otro Enlace de un solo electrón 3c-2e Aromaticidad Otro Enlace iónico conexión metálica Acoplamiento paramagnético perpendicular
Interacción intermolecular	enlace de hidrógeno las fuerzas de van der Waals conexión mecánica Intercalación replanteo