n-butano

isobutano ciclo-pentano metil c-butano

Diferentes posições de grupos funcionais

OH [propanol-1] OH [propanol-2]

Diferentes tipos de grupos funcionais (metamerismo)

isômeros

ácido]ácido aminoetanoico]

Veja também um exemplo da Tabela. 2.

B) A diferença na estrutura eletrônica:

Diferentes tipos e posições de ligações múltiplas

(isômeros

[butadieno-1,3] [butina-1] [butina-2]

As fórmulas estruturais comuns refletem apenas esses dois aspectos (A e B) da estrutura das moléculas.

C) ISOMERIA ESPACIAL (ou estereoisomerismo):

Tais isômeros têm a mesma ordem de ligação entre os átomos, mas diferem no arranjo espacial de seus átomos constituintes ou grupos de átomos. Técnicas especiais são usadas para mostrar a estrutura espacial.

Esses incluem:

(5) Cis-trans-isomerismo- arranjo diferente de átomos em relação à ligação dupla (a) ou ao plano do anel (b):

Exemplo (a) - estereoisômeros de buteno-2:

[cis-buteno-2] [trans-buteno-2]

Exemplo (b) - estereoisômeros:

forma cis forma trans

(6) Isomerismo óptico (espelho)

Esse fenômeno se deve à presença de átomos de carbono assimétricos nas moléculas; discutido nas seções "Hidroxiacidos" e "Carboidratos".

(7) isomeria conformacional

Ligação química covalente, suas variedades e mecanismos de formação. Características de uma ligação covalente (polaridade e energia de ligação). Ligação iônica. Conexão metálica. ligação de hidrogênio

A doutrina da ligação química é a base de toda a química teórica.

Uma ligação química é uma interação de átomos que os liga em moléculas, íons, radicais, cristais.

Existem quatro tipos de ligações químicas: iônicas, covalentes, metálicas e de hidrogênio.

A divisão das ligações químicas em tipos é condicional, pois todas elas são caracterizadas por uma certa unidade.

Uma ligação iônica pode ser considerada como o caso limite de uma ligação polar covalente.

Uma ligação metálica combina a interação covalente de átomos com a ajuda de elétrons compartilhados e a atração eletrostática entre esses elétrons e íons metálicos.

Em substâncias, muitas vezes não há casos limitantes de ligação química (ou ligações químicas puras).

Por exemplo, o fluoreto de lítio $LiF$ é classificado como um composto iônico. Na verdade, a ligação nele é $80%$ iônica e $20%$ covalente. Portanto, é obviamente mais correto falar do grau de polaridade (ionicidade) de uma ligação química.

Na série de haletos de hidrogênio $HF—HCl—HBr—HI—HAt$, o grau de polaridade da ligação diminui, porque a diferença nos valores de eletronegatividade dos átomos de halogênio e hidrogênio diminui, e em astato a ligação se torna quase apolar $(EO(H) = 2,1; EO(At) = 2,2)$.

Diferentes tipos de ligações podem estar contidos nas mesmas substâncias, por exemplo:

1. em bases: entre os átomos de oxigênio e hidrogênio nos grupos hidroxo, a ligação é covalente polar, e entre o metal e o grupo hidroxo é iônica;
2. em sais de ácidos contendo oxigênio: entre o átomo não metálico e o oxigênio do resíduo ácido - polar covalente, e entre o metal e o resíduo ácido - iônico;
3. em sais de amónio, metilamónio, etc.: entre átomos de azoto e hidrogénio - polar covalente, e entre iões de amónio ou metilamónio e um resíduo ácido - iónico;
4. em peróxidos metálicos (por exemplo, $Na_2O_2$), a ligação entre átomos de oxigênio é covalente não polar, e entre metal e oxigênio é iônica, e assim por diante.

Diferentes tipos de conexões podem passar umas para as outras:

- durante a dissociação eletrolítica em água de compostos covalentes, uma ligação polar covalente passa para uma iônica;

- durante a evaporação dos metais, a ligação metálica se transforma em um apolar covalente, etc.

A razão para a unidade de todos os tipos e tipos de ligações químicas é sua natureza química idêntica - interação elétron-nuclear. A formação de uma ligação química em qualquer caso é o resultado de uma interação elétron-nuclear de átomos, acompanhada pela liberação de energia.

Métodos para a formação de uma ligação covalente. Características de uma ligação covalente: comprimento e energia da ligação

Uma ligação química covalente é uma ligação que ocorre entre átomos devido à formação de pares de elétrons comuns.

O mecanismo de formação de tal ligação pode ser troca e doador-aceitador.

EU. mecanismo de troca atua quando os átomos formam pares de elétrons comuns combinando elétrons desemparelhados.

1) $H_2$ - hidrogênio:

A ligação surge devido à formação de um par de elétrons comum por $s$-elétrons de átomos de hidrogênio (sobreposição de $s$-orbitais):

2) $HCl$ - cloreto de hidrogênio:

A ligação surge devido à formação de um par de elétrons comum de $s-$ e $p-$elétrons (sobreposição de $s-p-$orbitais):

3) $Cl_2$: em uma molécula de cloro, uma ligação covalente é formada devido a $p-$elétrons desemparelhados (sobreposição de $p-p-$orbitais):

4) $N_2$: três pares de elétrons comuns são formados entre átomos em uma molécula de nitrogênio:

II. Mecanismo doador-aceitador Consideremos a formação de uma ligação covalente usando o exemplo do íon amônio $NH_4^+$.

O doador tem um par de elétrons, o aceptor tem um orbital vazio que esse par pode ocupar. No íon amônio, todas as quatro ligações com átomos de hidrogênio são covalentes: três foram formadas devido à criação de pares de elétrons comuns pelo átomo de nitrogênio e átomos de hidrogênio pelo mecanismo de troca, um - pelo mecanismo doador-aceptor.

As ligações covalentes podem ser classificadas pela forma como os orbitais de elétrons se sobrepõem, bem como pelo seu deslocamento para um dos átomos ligados.

As ligações químicas formadas como resultado da sobreposição de orbitais de elétrons ao longo da linha de ligação são chamadas $σ$ -ligações (ligações sigma). A ligação sigma é muito forte.

$p-$orbitais podem se sobrepor em duas regiões, formando uma ligação covalente através de sobreposição lateral:

As ligações químicas formadas como resultado da sobreposição "lateral" de orbitais de elétrons fora da linha de comunicação, ou seja, em duas regiões são chamados $π$ -ligações (pi-ligações).

Por grau de preconceito pares de elétrons comuns a um dos átomos que eles ligam, uma ligação covalente pode ser polar e não polar.

Uma ligação química covalente formada entre átomos com a mesma eletronegatividade é chamada não polar. Os pares de elétrons não são deslocados para nenhum dos átomos, porque os átomos têm o mesmo ER - a propriedade de puxar os elétrons de valência para si mesmos de outros átomos. Por exemplo:

Essa. através de uma ligação apolar covalente, são formadas moléculas de substâncias não metálicas simples. Uma ligação química covalente entre átomos de elementos cuja eletronegatividade difere é chamada polar.

O comprimento e a energia de uma ligação covalente.

característica propriedades de ligação covalenteé seu comprimento e energia. Comprimento do linké a distância entre os núcleos dos átomos. Uma ligação química é mais forte quanto menor for o seu comprimento. No entanto, a medida da força de união é energia de ligação, que é determinado pela quantidade de energia necessária para quebrar a ligação. Geralmente é medido em kJ/mol. Assim, de acordo com dados experimentais, os comprimentos de ligação das moléculas $H_2, Cl_2$ e $N_2$ são $0,074, 0,198$ e $0,109$ nm, respectivamente, e as energias de ligação são $436, 242$ e $946$ kJ/ mol, respectivamente.

Íons. Ligação iônica

Imagine que dois átomos "se encontram": um átomo metálico do grupo I e um átomo não metálico do grupo VII. Um átomo metálico tem um único elétron em seu nível de energia externo, enquanto um átomo não metálico carece de apenas um elétron para completar seu nível externo.

O primeiro átomo dará facilmente ao segundo seu elétron, que está longe do núcleo e fracamente ligado a ele, e o segundo lhe dará um lugar livre em seu nível eletrônico externo.

Então um átomo, privado de uma de suas cargas negativas, se tornará uma partícula carregada positivamente, e a segunda se transformará em uma partícula carregada negativamente devido ao elétron recebido. Tais partículas são chamadas íons.

A ligação química que ocorre entre os íons é chamada de iônica.

Considere a formação dessa ligação usando o conhecido composto de cloreto de sódio (sal de mesa) como exemplo:

O processo de transformação de átomos em íons é mostrado no diagrama:

Tal transformação de átomos em íons sempre ocorre durante a interação de átomos de metais típicos e não-metais típicos.

Considere o algoritmo (sequência) de raciocínio ao registrar a formação de uma ligação iônica, por exemplo, entre átomos de cálcio e cloro:

Os números que mostram o número de átomos ou moléculas são chamados coeficientes, e os números que mostram o número de átomos ou íons em uma molécula são chamados índices.

conexão de metal

Vamos nos familiarizar com como os átomos dos elementos metálicos interagem uns com os outros. Os metais geralmente não existem na forma de átomos isolados, mas na forma de uma peça, lingote ou produto metálico. O que mantém os átomos metálicos juntos?

Os átomos da maioria dos metais no nível externo contêm um pequeno número de elétrons - $ 1, 2, 3 $. Esses elétrons são facilmente separados e os átomos são convertidos em íons positivos. Os elétrons separados se movem de um íon para outro, unindo-os em um único todo. Conectando-se com íons, esses elétrons formam temporariamente átomos, depois se separam novamente e se combinam com outro íon, e assim por diante. Consequentemente, no volume de um metal, os átomos são continuamente convertidos em íons e vice-versa.

A ligação em metais entre íons por meio de elétrons socializados é chamada metálica.

A figura mostra esquematicamente a estrutura de um fragmento metálico de sódio.

Neste caso, um pequeno número de elétrons socializados liga um grande número de íons e átomos.

A ligação metálica tem alguma semelhança com a ligação covalente, pois é baseada no compartilhamento de elétrons externos. No entanto, em uma ligação covalente, os elétrons desemparelhados externos de apenas dois átomos vizinhos são socializados, enquanto em uma ligação metálica, todos os átomos participam da socialização desses elétrons. É por isso que os cristais com ligação covalente são frágeis, enquanto os com ligação metálica são, via de regra, plásticos, eletricamente condutores e possuem um brilho metálico.

A ligação metálica é característica tanto de metais puros quanto de misturas de vários metais - ligas que estão nos estados sólido e líquido.

ligação de hidrogênio

Uma ligação química entre átomos de hidrogênio polarizados positivamente de uma molécula (ou parte dela) e átomos polarizados negativamente de elementos fortemente eletronegativos com pares de elétrons isolados ($F, O, N$ e menos frequentemente $S$ e $Cl$), outra molécula (ou suas partes) é chamada de hidrogênio.

O mecanismo de formação de ligações de hidrogênio é parcialmente eletrostático, parcialmente doador-aceitador.

Exemplos de ligação de hidrogênio intermolecular:

Na presença de tal ligação, mesmo substâncias de baixo peso molecular podem, em condições normais, ser líquidos (álcool, água) ou gases facilmente liquefeitos (amônia, fluoreto de hidrogênio).

Substâncias com uma ligação de hidrogênio têm redes cristalinas moleculares.

Substâncias de estrutura molecular e não molecular. Tipo de rede cristalina. A dependência das propriedades das substâncias em sua composição e estrutura

Estrutura molecular e não molecular de substâncias

Não são átomos ou moléculas individuais que entram em interações químicas, mas substâncias. Uma substância sob determinadas condições pode estar em um dos três estados de agregação: sólido, líquido ou gasoso. As propriedades de uma substância também dependem da natureza da ligação química entre as partículas que a formam - moléculas, átomos ou íons. De acordo com o tipo de ligação, distinguem-se substâncias de estrutura molecular e não molecular.

As substâncias formadas por moléculas são chamadas substâncias moleculares. As ligações entre as moléculas em tais substâncias são muito fracas, muito mais fracas do que entre os átomos dentro de uma molécula, e já em temperaturas relativamente baixas elas se quebram - a substância se transforma em líquido e depois em gás (sublimação de iodo). Os pontos de fusão e ebulição de substâncias que consistem em moléculas aumentam com o aumento do peso molecular.

Substâncias moleculares incluem substâncias com estrutura atômica ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), entre elas existem metais e não metais.

Considere as propriedades físicas dos metais alcalinos. A força de ligação relativamente baixa entre os átomos causa baixa resistência mecânica: os metais alcalinos são macios e podem ser facilmente cortados com uma faca.

Os grandes tamanhos de átomos levam a uma baixa densidade de metais alcalinos: lítio, sódio e potássio são ainda mais leves que a água. No grupo dos metais alcalinos, os pontos de ebulição e fusão diminuem com o aumento do número ordinal do elemento, porque. o tamanho dos átomos aumenta e as ligações enfraquecem.

Para substâncias não molecular estruturas incluem compostos iônicos. A maioria dos compostos de metais com não metais tem esta estrutura: todos os sais ($NaCl, K_2SO_4$), alguns hidretos ($LiH$) e óxidos ($CaO, MgO, FeO$), bases ($NaOH, KOH$). Substâncias iônicas (não moleculares) têm altos pontos de fusão e ebulição.

Treliças de cristal

Uma substância, como se sabe, pode existir em três estados de agregação: gasoso, líquido e sólido.

Sólidos: amorfos e cristalinos.

Considere como as características das ligações químicas afetam as propriedades dos sólidos. Os sólidos são divididos em cristalino e amorfo.

Substâncias amorfas não têm um ponto de fusão claro - quando aquecidas, elas gradualmente amolecem e se tornam fluidas. No estado amorfo, por exemplo, estão a plasticina e várias resinas.

As substâncias cristalinas são caracterizadas pelo arranjo correto das partículas que as compõem: átomos, moléculas e íons - em pontos estritamente definidos no espaço. Quando esses pontos são conectados por linhas retas, forma-se um quadro espacial, chamado de rede cristalina. Os pontos nos quais as partículas cristalinas estão localizadas são chamados de nós de rede.

Dependendo do tipo de partículas localizadas nos nós da rede cristalina e da natureza da conexão entre elas, distinguem-se quatro tipos de redes cristalinas: iônico, atômico, molecular e metal.

Redes cristalinas iônicas.

Iônico chamados de reticulados cristalinos, nos quais existem íons. Eles são formados por substâncias com uma ligação iônica, que pode ligar tanto íons simples $Na^(+), Cl^(-)$, e complexos $SO_4^(2−), OH^-$. Consequentemente, sais, alguns óxidos e hidróxidos de metais possuem redes cristalinas iônicas. Por exemplo, um cristal de cloreto de sódio consiste em alternar íons positivos $Na^+$ e íons negativos $Cl^-$, formando uma rede em forma de cubo. As ligações entre os íons em tal cristal são muito estáveis. Portanto, as substâncias com uma rede iônica são caracterizadas por dureza e resistência relativamente altas, são refratárias e não voláteis.

Redes cristalinas atômicas.

nuclear chamados de reticulados cristalinos, nos quais existem átomos individuais. Em tais redes, os átomos estão interligados por ligações covalentes muito fortes. Um exemplo de substâncias com este tipo de rede cristalina é o diamante, uma das modificações alotrópicas do carbono.

A maioria das substâncias com uma rede cristalina atômica tem pontos de fusão muito altos (por exemplo, para o diamante está acima de $3500°C$), são fortes e duras, praticamente insolúveis.

Redes de cristais moleculares.

Molecular chamados de redes cristalinas, nos nós dos quais as moléculas estão localizadas. As ligações químicas nessas moléculas podem ser polares ($HCl, H_2O$) ou apolares ($N_2, O_2$). Apesar do fato de que os átomos dentro das moléculas estão ligados por ligações covalentes muito fortes, existem forças fracas de atração intermolecular entre as próprias moléculas. Portanto, substâncias com redes cristalinas moleculares têm baixa dureza, baixos pontos de fusão e são voláteis. A maioria dos compostos orgânicos sólidos tem redes cristalinas moleculares (naftaleno, glicose, açúcar).

Treliças de cristal metálico.

Substâncias com uma ligação metálica têm redes cristalinas metálicas. Nos nós dessas redes existem átomos e íons (átomos ou íons, nos quais os átomos de metal se transformam facilmente, dando seus elétrons externos “para uso comum”). Essa estrutura interna dos metais determina suas propriedades físicas características: maleabilidade, plasticidade, condutividade elétrica e térmica e um brilho metálico característico.

A teoria moderna das propriedades orgânicas é um desenvolvimento da ideia de A. M. Butlerov sobre a dependência de sua estrutura. A estrutura expressiva dá uma ideia de toda a variedade, embora as previsões não sejam o resultado de leis matemáticas estritas, mas são apenas de natureza qualitativa e deixam muito mais à parte do talento e da intuição do químico experimental.

As características das propriedades físicas dos compostos são muitas vezes expressas como a soma de vários termos relacionados aos elementos correspondentes que compõem o determinado composto. Aplicação de tal esquemas aditivos encontrar qualquer característica físico-química de um composto de acordo com a fórmula de sua estrutura, portanto, é equivalente à suposição de que um elemento, entrando na composição de vários compostos, sempre contribui com a mesma parcela de tal característica.

Nos casos mais simples, essa suposição com relação à relação acaba sendo muito próxima da verdade (aditivos, por exemplo, são os valores de volumes moleculares e

Palestra: Substâncias de estrutura molecular e não molecular. Tipo de rede cristalina. A dependência das propriedades das substâncias em sua composição e estrutura

Substâncias moleculares e não moleculares

Por estrutura, os produtos químicos são divididos em dois grupos: aqueles que consistem em moléculas são chamados molecular, e contendo átomos e íons - não molecular.

As substâncias moleculares têm pontos de fusão/ebulição baixos. Eles podem estar em três estados agregados: líquido, sólido, gasoso. Este grupo inclui a maioria das substâncias simples de não metais, bem como seus compostos entre si. As ligações entre átomos de substâncias moleculares são covalentes.

Substâncias não moleculares têm altos pontos de fusão/ebulição. Estão em estado sólido. Estas são, você adivinhou, substâncias simples - metais, seus compostos com não-metais, não-metais incluem boro, carbono - diamante, fósforo (preto e vermelho), silício. Substâncias não moleculares formam cristais iônicos, atômicos e moleculares, cujo arranjo de partículas tem uma sequência clara e forma uma rede.

Tipos de redes cristalinas

Existem quatro tipos de redes cristalinas, dependendo dos tipos de partículas localizadas nos sítios da rede:

1) Iônicoa rede cristalina é característica de compostos com um tipo iônico de ligação química. Nos sítios da rede estão cátions e ânions. Exemplos de substâncias com este tipo de rede cristalina são sais, óxidos e hidróxidos de metais típicos. Estas são substâncias duras, mas quebradiças. Eles têm uma dureza. Eles se dissolvem em água e são eletricamente condutores.

2) Nuclear a rede tem átomos em seus nós. As partículas formam ligações não polares e polares covalentes. Das substâncias simples, esse tipo de rede cristalina pertence ao carbono no estado de grafite e diamante, boro, silício e germânio. Das substâncias complexas, por exemplo, o óxido de silício (quartzo, cristal de rocha) possui uma rede atômica. São substâncias refratárias muito duras, não amplamente distribuídas na natureza. Não dissolva em água.

3) Molecular a rede cristalina é formada por moléculas mantidas juntas por forças fracas de atração intermolecular. Portanto, as substâncias desse tipo de rede são caracterizadas por baixa dureza, fragilidade e baixas temperaturas de fusão. Por exemplo, é água em estado gelado. A maioria dos compostos orgânicos sólidos tem esse tipo de rede. O tipo de ligação no composto é covalente.

Dependendo do estado em que os compostos estão na natureza, eles são divididos em moleculares e não moleculares. Em substâncias moleculares, as menores partículas estruturais são moléculas. Essas substâncias têm uma rede cristalina molecular. Em substâncias não moleculares, as menores partículas estruturais são átomos ou íons. Sua rede cristalina é atômica, iônica ou metálica.

O tipo de rede cristalina determina em grande parte as propriedades das substâncias. Por exemplo, metais que tipo de treliça de cristal de metal, diferente de todos os outros elementos alta plasticidade, condutividade elétrica e térmica. Essas propriedades, assim como muitas outras - maleabilidade, brilho metálico, etc. devido a um tipo especial de ligação entre átomos de metal - Ligação metálica. Deve-se notar que as propriedades inerentes aos metais aparecem apenas no estado condensado. Por exemplo, a prata no estado gasoso não possui as propriedades físicas dos metais.

Um tipo especial de ligação em metais - metálico - é devido à falta de elétrons de valência, por isso são comuns a toda a estrutura do metal. O modelo mais simples da estrutura dos metais assumiu que a rede cristalina dos metais consiste em íons positivos cercados por elétrons livres, o movimento dos elétrons ocorre aleatoriamente, como as moléculas de gás. No entanto, tal modelo, embora explique qualitativamente muitas propriedades dos metais, acaba sendo insuficiente na verificação quantitativa. O desenvolvimento posterior da teoria do estado metálico levou à criação teoria de bandas de metais, que se baseia nos conceitos da mecânica quântica.

Nos nós da rede cristalina existem cátions e átomos de metal, e os elétrons se movem livremente ao longo da rede cristalina.

Uma propriedade mecânica característica dos metais é plástico, devido às peculiaridades da estrutura interna de seus cristais. A plasticidade é entendida como a capacidade dos corpos sob a ação de forças externas sofrerem deformação, que permanece após a cessação da influência externa. Esta propriedade dos metais permite que eles recebam várias formas durante o forjamento, metal laminado em folhas ou trefilado em arame.

A plasticidade dos metais se deve ao fato de que, sob ação externa, as camadas de íons que formam a rede cristalina são deslocadas umas em relação às outras sem quebrar. Isso ocorre porque os elétrons movidos, por redistribuição livre, continuam realizando a conexão entre as camadas iônicas. Sob ação mecânica sobre uma substância sólida com uma rede atômica, suas camadas individuais são deslocadas e a adesão entre elas é quebrada devido à quebra de ligações covalentes.

Se os nós da rede cristalina são íons, então essas substâncias formam tipo iônico de rede cristalina.

São sais, assim como óxidos e hidróxidos de metais típicos. São substâncias duras e quebradiças, mas sua principal qualidade : soluções e derretimentos desses compostos conduzem corrente elétrica.