Legame chimico

Un legame chimico è un'interazione tra più atomi, ioni o molecole, a distanza che consente la stabilizzazione del sistema e la formazione di un aggregato o di una sostanza chimica. Questa nozione sembra semplice ma in realtà nasconde una grande diversità di fenomeni che modellano la materia. Quindi, il legame chimico può essere covalente (normale o di coordinazione ), ionico , metallico , banana , (a) polare , (de) localizzato , (non) direzionale, debole, forte, singolo , doppio , triplo , σ , π , δ , φ , singolo elettrone , tre centro (con due elettroni o quattro elettroni ), quattro centro , idrogeno , alogeno , π-¸, cationi ¸, anionico ¸, van der Waals , etc. Questa varietà porta con sé il doppio problema della difficile e non uniforme classificazione e descrizione dei legami chimici. La nozione di legame chimico è, di conseguenza, particolarmente complicata da affrontare nella sua interezza e genera molti falsi preconcetti negli alunni, durante il loro apprendimento.

Esistono molti modelli per descrivere queste interazioni. Ad esempio, il legame chimico tra due atomi all'interno di una molecola può essere descritto con il modello di Lewis o con un modello quantistico, come la teoria degli orbitali molecolari . In entrambi i casi, l'origine dell'interazione è una condivisione di elettroni tra i due atomi. La descrizione di un legame chimico deve quindi specificare il modello utilizzato e l'energia del legame .

I legami più deboli sono spiegati, in generale, dalle polarità tra le molecole. Questo è il caso di interazioni molto deboli come le forze di Londra che fanno parte delle forze di van der Waals . Tali forze interpretano il mantenimento allo stato condensato solido o liquido di composti molecolari come diodio o idrocarburi .

Panoramica

Descrivere perché gli atomi delle molecole o dei cristalli rimangono in contatto è l'oggetto dello studio del legame chimico. Se i legami chimici non esistessero (o quando non sono abbastanza forti rispetto all'energia della temperatura), gli atomi non rimarrebbero in contatto. È lo stato liquido, anche gassoso. Capire cos'è un legame chimico ci permette di interpretare la reazione chimica . In effetti, una reazione chimica non è altro che la trasformazione di legami chimici.

Esistono diversi modi per descrivere i legami chimici. Da un lato, ogni tipo di collegamento utilizza un modello diverso:

eccetera.

D'altra parte, per un dato tipo di collegamento, esistono diversi modelli:

eccetera.

L'interesse di avere più modelli per lo stesso tipo di connessione nasce spesso dalla storia della scienza. Ad esempio, il modello di Lewis è arrivato molto presto (1916) mentre il modello degli orbitali molecolari (es. LCAO-MO, che sta per Linear Combination of Atomic Orbitale [to make] Molecular Orbitals ) è stato introdotto più recentemente. È molto più complesso da usare ma fornisce molte informazioni sul legame covalente che il modello di Lewis non fornisce, ad esempio permette di prevedere, mediante calcolo, l'energia del legame o la previsione dello spettro elettronico. Quando tali informazioni non sono utili, il modello di Lewis è sufficiente e viene utilizzato anche se meno efficiente e più vecchio.

Lo sviluppo teorico di maggior successo, utilizzato per descrivere un legame chimico, è la teoria degli orbitali molecolari. Questo descrive gli atomi per funzioni chiamate orbitali atomici . Le combinazioni lineari di queste funzioni costituiscono gli orbitali molecolari che descrivono le molecole. Questi orbitali molecolari possono essere:

Il legame ionico è interpretato diversamente. Si trova in un cristallo e mantiene in contatto anioni (negativi) e cationi (positivi). Le forze elettrostatiche tengono in contatto gli ioni di segno opposto mentre forze della stessa natura tra gli ioni di segno stesso tendono a "frantumare" il cristallo. Risulta che la somma delle forze attrattive è maggiore della somma delle forze repulsive; il cristallo può così esistere.

Per i modelli che danno accesso all'energia di atomi e molecole, si formano legami (e quindi esistono gli edifici che costituiscono) se l'energia dell'edificio (molecola, cristallo) è inferiore all'energia degli atomi o degli ioni presi separatamente. Pertanto, l'energia della molecola H 2 è inferiore all'energia di due atomi di H. La molecola H 2 esiste quindi. Al contrario, l'energia della molecola di He 2 è maggiore dell'energia di due atomi di elio presi separatamente. Questo spiega perché la molecola di He 2 non esiste.

Storia

Spiegare come gli atomi sono uniti è antico quanto la nozione di atomo stesso. Filosofi e alchimisti hanno evocato la nozione di atomi uncinati (in modo che si aggrappino l'uno all'altro), proprio come l'acidità era spiegata dagli atomi acuti e l'alcalinità dalla presenza di atomi stridenti.

Altre interpretazioni del legame chimico, dall'inizio del XII °  secolo , suppone che alcuni tipi di specie chimiche sono stati vincolati da alcuni tipi di affinità chimica . Alcuni secoli dopo, il fisico inglese Isaac Newton pose la questione delle forze che assemblano gli atomi nella famosa "domanda 31" del suo trattato Opticks . Così scrive: "Le particelle si attraggono per forze che, nella loro vicinanza, sono forti e consentono operazioni chimiche".

Antoine Lavoisier , Claude Louis Berthollet e soprattutto Pierre-Simon de Laplace hanno chiarito la nozione di affinità chimica basandola sull'esistenza di forze della stessa natura delle forze di gravitazione (che il futuro non si rivelerà corretto). Sono le scoperte sull'elettricità e le prime elettrolisi di Humphry Davy che hanno permesso di orientare la riflessione verso interazioni di natura elettrica (e non gravitazionale). Per Davy, l'affinità tra atomi era il risultato di cariche elettriche opposte, che Jöns Jacob Berzelius generalizzò nel 1812. Non è stato fino a più di un secolo perché questa traccia si materializzasse, ma non nella direzione prevista dai suoi autori. In effetti, la loro teoria non potrebbe spiegare il legame tra due atomi identici come in H 2 , Cl 2 , O 2 ecc. Così siamo arrivati ​​a distinguere tra composti polari come NaCl e composti non polari come CH 4 , con tutti i tipi di intermedi mal definiti, ad esempio HCl.

A metà del XIX E  secolo , Edward Frankland , FA Kekule , AS Couper , AM Boutlerov e Hermann Kolbe , costruendo la teoria dei radicali, svilupparono la teoria delle valenze, chiamata all'inizio "potere di combinare" in cui i composti erano legati grazie all'attrazione dei poli positivi e negativi.

Nel 1916, il chimico Gilbert Lewis sviluppò l'idea del legame mettendo in comune gli elettroni. Questa coppia di elettroni costituisce un legame chimico rappresentato da una linea.

Walter Heitler e Fritz London sono gli autori della prima spiegazione della meccanica quantistica del legame chimico, in particolare quella dell'idrogeno molecolare, nel 1927, utilizzando la teoria dei legami di valenza. Nel 1930, la prima descrizione quantistica del legame chimico semplice fu sviluppata nella tesi di dottorato di Edward Teller .

Nel 1931 il chimico Linus Pauling pubblicò quello che a volte è considerato il testo più importante della storia della chimica: “Sulla natura del legame chimico”. In questo articolo basato sul lavoro di Lewis, Heitler e London, e sul proprio lavoro, presenta sei regole per il legame con elettroni condivisi; i primi tre erano generalmente noti:

  1. Il legame di condivisione di elettroni è formato dall'interazione di un singolo elettrone da ciascuno dei due atomi
  2. gli spin dei due elettroni devono essere opposti
  3. una volta accoppiati, i due elettroni non possono entrare in un altro legame

Le sue altre tre regole erano nuove:

  1. lo scambio di elettroni per il legame include una singola funzione d'onda per ogni elettrone,
  2. gli elettroni disponibili nel livello energetico inferiore formano i legami più forti,
  3. di due orbitali di un atomo, è quello che più si sovrappone all'orbitale di un altro atomo che formerà il legame più forte.

Calcolo dell'energia di legame della molecola di idrogeno

Il primo calcolo dell'energia di un legame chimico, capostipite della chimica quantistica, è quello della molecola più semplice, quello dell'idrogeno di Bohr nel 1913. È senza dubbio l'unico calcolo di legame chimico accessibile a un non specialista.

idrogeno.jpg

Consiste nell'applicare ad una molecola il modello di Bohr dell'atomo. Assumiamo che gli elettroni abbiano un moto circolare di raggio attorno all'asse dei protoni p + p +, assunto stazionario e distante da R. La distanza elettrone-protone e-p + è . Utilizzando la formula del modello di Bohr dell'atomo per lo stato fondamentale:

dove p = mv è la quantità di moto e la costante di Planck ridotta, l'energia cinetica degli elettroni si scrive:

Il potenziale V è attrattivo tra elettroni e protoni ed è costituito dai quattro legami elettrone-protone. C'è repulsione tra elettroni distanti da e protoni distanti da R. L'energia potenziale si scrive:

L'energia totale è:

In un atomo di idrogeno, l'uguaglianza tra la forza elettrostatica e la forza centrifuga può essere scritta:

dove è la costante di Rydberg, il raggio di Bohr dell'atomo di idrogeno e la costante dielettrica .

Sottraendo l' energia di legame di due atomi di idrogeno isolati, l'energia totale della molecola diventa:

dove e .

Questa equazione si risolve graficamente variando x in modo che l'energia del minimo sia minima. Otteniamo quindi x = 1,15 e y = 2.7 che dà i valori trovati da Bohr nel 1913 di 2,7  eV per l'energia di legame e 0,6  Å per la spaziatura protone. La precisione del calcolo è certamente mediocre poiché i valori sperimentali sono, rispettivamente, 4,5  eV e 0,74  Å . Si possono trovare metodi più sofisticati basati su orbitali molecolari .

Legami nelle formule chimiche

Lunghezza del legame in pm
ed energie del legame in kJ/mol.
Lunghezza di legame può essere convertito in Å
dividendo per 100 ( 1  Å = 100  pm ).
Fonte.
Connessione Lunghezza
(pm)
Energia
(kJ/mol)
H - Idrogeno
H – H 74 436
H – C 109 413
H – N 101 391
H – O 96 366
M – F 92 568
H – Cl 127 432
H – Br 141 366
C - Carbonio
C – H 109 413
CC 154 348
C = C 134 614
C≡C 120 839
C – N 147 308
CO 143 360
DO – FA 135 488
C – Cl 177 330
C – Br 194 288
QUESTO 214 216
C – S 182 272
N - Azoto
N – H 101 391
N – C 147 308
N – N 145 170
N≡N 110 945
O - Ossigeno
OH 96 366
O – DO 143 360
O – O 148 145
O = O 121 498
F, Cl, Br, I - Alogeni
F H 92 568
FA – FA 142 158
FA – DO 135 488
Cl – H 127 432
Cl – C 177 330
Cl – Cl 199 243
Br – H 141 366
Br – Do 194 288
Br – Br 228 193
io – H 161 298
CIRCUITO INTEGRATO 214 216
io – io 267 151
S - Zolfo
C – S 182 272

Poiché gli atomi, le molecole ei loro orbitali sono tridimensionali, è difficile utilizzare tecniche semplici per rappresentarli. Nelle formule molecolari , il legame chimico (orbitale di legame) tra due atomi è indicato in modi diversi a seconda delle necessità.

A volte viene totalmente ignorato. Ad esempio, in chimica organica , i chimici sono talvolta interessati al gruppo funzionale della molecola. Quindi, a seconda della necessità, la formula molecolare dell'etanolo può essere scritta sulla carta

A volte viene indicata anche la nuvola elettronica non vincolante. . (con direzioni in due dimensioni Ad esempio atomi elementari approssimativi :: . ' C . ' Alcuni chimici indicano anche orbitali, ad esempio, l'ipotetico anione etano -4 ( \ / C = C / \ -4 ) indicando la possibilità di legame addestramento.

Forti legami chimici

Questi legami chimici sono forze intramolecolari che tengono insieme gli atomi in molecole e solidi. Questi legami possono essere singoli, doppi o tripli, vale a dire che il numero di elettroni partecipanti (o contenuti nell'orbitale di legame) è due, quattro o sei. Un numero pari di elettroni è normale perché gli elettroni accoppiati hanno un'energia inferiore. Infatti, teorie più avanzate sui legami mostrano che i legami non sono sempre causati da un numero intero di elettroni e, questo, dipende dalla distribuzione di questi in ciascun atomo interessato nel legame. Ad esempio, i carboni nel benzene sono collegati tra loro da circa 1,5 legami e i due atomi nell'ossido nitrico NO sono collegati da circa 2,5 legami. I legami quadrupli non sono impossibili ma sono molto rari.

Il tipo di legame dipende dalla differenza di elettronegatività e dalla distribuzione dei possibili orbitali negli atomi legati. Maggiore è l'elettronegatività, più l'elettrone è attratto da un particolare atomo e più il legame ha carattere ionico . Se l'elettronegatività è bassa, il legame è covalente .

Legame covalente

Il legame covalente è l'interazione tra gli atomi in una molecola. Questo legame può essere non polarizzato, se gli atomi hanno praticamente la stessa elettronegatività, oppure polarizzato se la differenza tra le loro elettronegatività rimane inferiore a 1,7 (valore convenzionale). Oltre questo valore, l'interazione si dice ionica. Un legame covalente (polarizzato o meno) può essere singolo, doppio o triplo.

Vedere gli articoli σ Bond e π Bond per la consueta spiegazione CLOA dei legami non polari.

Legame covalente coordinativo

Il legame covalente coordinativo è un legame speciale in cui gli elettroni di legame provengono da uno solo degli atomi, ma sono approssimativamente condivisi equamente da entrambi in un orbitale. Questa configurazione è diversa da un legame ionico con una bassa differenza di elettronegatività.

Legami chimici rilocati

Ci sono diverse situazioni per le quali il modello di Lewis con pooling di un doppietto di elettroni non è rilevante. È il caso delle molecole aventi elettroni delocalizzati o il caso del legame metallico.

Forme di risonanza

Certe molecole e certi ioni sono scarsamente rappresentati da una formula di Lewis e le loro proprietà non sono quelle previste per quanto riguarda la formula di Lewis. È il caso, in chimica organica, del butadiene CH 2 = CH-CH = CH 2 per il quale le lunghezze di legame CC e C = C non corrispondono a questi stessi legami nell'etano e nell'etilene. Questo è anche il caso, in chimica inorganica, dello ione solfato SO 4 2− che contiene due legami S = O e due legami SO - mentre i quattro legami risultano identici.

Legame aromatico

Nel caso di molecole che rispettano la regola di Hückel (molecola ciclica che possiede 4n + 2 elettroni delocalizzati sull'intero ciclo), la struttura presenta non solo una stabilità corrispondente all'esistenza di più forme di risonanza, ma anche un'ulteriore stabilità chiamata aromaticità. .

È il caso del benzene , avente 6 elettroni delocalizzati sull'intero ciclo. Questi sono i 6 elettroni rappresentati dai tre doppi legami del modello di Lewis. I 6 legami dell'anello hanno la stessa lunghezza mentre la formula di Lewis prevede che i 3 legami CC siano più lunghi dei tre legami C = C. Storicamente, i chimici hanno visto questo fenomeno con il diclorobenzene. Considerando la formula di Lewis, dovrebbero esserci due orto-diclorobenzene (i due atomi di cloro essendo portati o da un legame C = C, o da un legame CC) mentre sperimentalmente, era stato osservato un solo orto-diclorobenzene.

Nel caso del composto aromatico eterociclico e del benzene sostituito, le differenze di elettronegatività delle parti dell'anello influenzano il comportamento chimico che sarebbe altrimenti equivalente.

Legame metallico

Mantenere gli atomi in contatto all'interno di un metallo può essere interpretato secondo diversi modelli.

Questa teoria spiega non solo la stabilità del cristallo metallico, ma anche il potere elettricamente conduttivo del metallo, gli elettroni che si muovono nelle bande delocalizzate su tutto il cristallo.

Legami intermolecolari

Questi legami sono anche conosciuti come legami deboli o legami secondari.

Legame idrogeno

Il legame a idrogeno ( HB ) o ponte a idrogeno è un legame debole che collega le molecole. Coinvolge un atomo di idrogeno e un atomo abbastanza elettronegativo (come l'ossigeno per esempio).

legami ionici

Il legame ionico è un'interazione elettrostatica tra ioni, ad esempio Na + e Cl - all'interno di un cristallo ionico. La differenza di elettronegatività tra gli atomi corrispondenti è maggiore di 1,7 (questo limite è convenzionale; per questo esempio, (Na) = 0,93 e χ (Cl) = 3,16). Questa interazione è considerata forte, le temperature di fusione di questi cristalli sono generalmente elevate.

Possono essere esercitate anche interazioni tra ioni poliatomici. L'elettronegatività di questi ioni risulta da una definizione più elaborata di quella degli atomi, ma il principio delle loro interazioni all'interno di un cristallo ionico è lo stesso.

legame alogeno

Il legame alogeno ( XB ) è un legame debole che si può formare tra un atomo di alogeno carente di densità elettronica ( acido di Lewis ) ( I > Br > Cl > F ) e un altro atomo ricco di elettroni ( O = N > S ) ( base di Lewis ) ). Ci sono un gran numero di esempi di legami alogeni nei sistemi biologici. Ad esempio, l'interazione tra la tiroxina e il suo recettore è di tipo alogeno .

Legame di Van der Waals

Il legame di Van der Waals è un'interazione a bassa intensità tra atomi, molecole o una molecola e un cristallo. È dovuto alle interazioni tra i momenti di dipolo elettrico dei due atomi coinvolti: nessun elettrone è raggruppato tra i due atomi.

Interazioni tra cationi e legami pi

Elettroni nei legami chimici

Esistono tre tipi di legami chimici: sono legami singoli, doppi legami e tripli legami. Infatti, il tipo di legame chimico dipende dal numero di elettroni condivisi tra gli atomi legati:

Questo numero di elettroni condivisi tra gli atomi dipende dalla struttura elettronica di questi atomi e quindi dalle regole del byte e del duetto .

Note e riferimenti

  1. Callaerts N. & Dehon J., "  Il legame chimico secondo le correnti epistemologiche  ", Chimie Nouvelle n° 131 ,novembre 2019, pag.  19 ( leggi in linea )
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  7. http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/c120/bondel.html

Vedi anche

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