Legătura chimică

Se studiază tipurile de legături chimice (ionică, covalentă, metalică) și modul în care atomii se combină pentru a forma compuși stabili.

De ce se leagă atomii: regula octetului

Aproape toate substanțele din jurul nostru sunt formate din atomi legați între ei, nu din atomi singuratici. Motivul este unul singur: atomii izolați sunt instabili, iar prin legare ajung într-o stare mai stabilă, cu energie mai mică.

Modelul care explică acest lucru la nivelul clasei a VII-a este regula octetului: atomii tind să ajungă la configurația electronică a gazului rar cel mai apropiat, adică să aibă 8 electroni pe ultimul strat (octet) sau, pentru elementele foarte ușoare, 2 electroni (dublet, ca la heliu).

Gazele rare sunt dovada vie a regulii: au deja ultimul strat complet, nu au nevoie să se lege de nimic și de aceea se găsesc în natură ca atomi izolați și nu formează practic compuși.

Atomii au trei căi prin care pot ajunge la octet, iar fiecare dă un tip de legătură:

• cedarea și acceptarea de electroni — apare între un metal și un nemetal și dă legătura ionică
• punerea în comun de electroni — apare între nemetale și dă legătura covalentă
• punerea în comun a electronilor de valență de către toți atomii unei bucăți de metal — dă legătura metalică

Cheia pentru a alege tipul de legătură într-un exercițiu este să te uiți la ce fel de elemente se combină: metal + nemetal înseamnă ionic, nemetal + nemetal înseamnă covalent, metal + metal înseamnă metalic. Această regulă simplă rezolvă majoritatea itemilor de la evaluare.

Legătura ionică

Legătura ionică se formează prin transfer de electroni de la un atom de metal la un atom de nemetal și constă în atracția electrostatică dintre ionii de semn contrar rezultați.

Mecanismul, pe exemplul clasic al clorurii de sodiu:

• sodiul are configurația 2, 8, 1 și cedează electronul de valență, devenind Na+ (configurație 2, 8, ca neonul)
• clorul are configurația 2, 8, 7 și acceptă acel electron, devenind Cl− (configurație 2, 8, 8, ca argonul)
• cei doi ioni, având sarcini opuse, se atrag și formează compusul NaCl

Atenție la o formulare care se cere exact: legătura ionică nu este o „împerechere” a doi ioni. Într-un cristal de sare, fiecare ion Na+ este înconjurat de mai mulți ioni Cl− și invers, formând o rețea ionică ordonată. De aceea NaCl nu este o moleculă, ci o formulă care arată doar raportul dintre ioni, 1:1.

Pentru a scrie formula unui compus ionic, folosești sarcinile ionilor și le echilibrezi:

• Mg2+ cu Cl− dă MgCl2 (un ion de magneziu neutralizează doi ioni de clor)
• Na+ cu O2− dă Na2O
• Ca2+ cu O2− dă CaO, raportul fiind 1:1

Proprietățile substanțelor ionice, cerute frecvent la teste: sunt solide cristaline la temperatura camerei, au puncte de topire și de fierbere ridicate (legăturile sunt puternice), sunt de obicei solubile în apă și conduc curentul electric în soluție sau în topitură, dar nu în stare solidă — în cristal ionii sunt ficși, iar curentul cere purtători de sarcină liberi să se miște.

Legătura covalentă

Legătura covalentă se formează între atomi de nemetale, prin punerea în comun de electroni. Nu mai există transfer și nu se formează ioni: fiecare pereche de electroni pusă în comun aparține simultan ambilor atomi și îi ajută pe amândoi să-și completeze octetul.

O pereche de electroni pusă în comun înseamnă o legătură simplă (se notează cu o liniuță), două perechi înseamnă legătură dublă, trei perechi înseamnă legătură triplă.

Exemplele obligatorii, cu explicație:

• H2 — fiecare atom de hidrogen are 1 electron; punând în comun câte unul, amândoi ajung la dublet. Legătură simplă: H−H.
• Cl2 — fiecare atom de clor are 7 electroni de valență și îi lipsește unul; pun în comun câte un electron. Legătură simplă: Cl−Cl.
• O2 — fiecare atom de oxigen are 6 electroni de valență și îi lipsesc doi; pun în comun câte doi. Legătură dublă: O=O.
• N2 — fiecare atom de azot are 5 electroni de valență și îi lipsesc trei. Legătură triplă: N≡N, foarte puternică, de aceea azotul din aer este atât de puțin reactiv.
• H2O — oxigenul formează câte o legătură simplă cu fiecare dintre cei doi atomi de hidrogen.

Covalența se împarte în două, după cum sunt atomii legați:

• covalentă nepolară — între atomi identici (H2, Cl2, O2, N2). Perechea de electroni este atrasă la fel de ambii atomi, deci stă exact la mijloc.
• covalentă polară — între atomi diferiți (HCl, H2O, NH3). Nemetalul mai avid de electroni atrage perechea mai mult spre el, așa că apar sarcini parțiale: în HCl, clorul devine ușor negativ, hidrogenul ușor pozitiv.

Substanțele covalente formează, spre deosebire de cele ionice, molecule adevărate. Au de obicei puncte de topire scăzute și nu conduc curentul electric, pentru că nu conțin ioni liberi.

Legătura metalică

Legătura metalică apare între atomi de metal și explică de ce metalele se poartă cu totul altfel decât sarea sau apa.

Modelul de reținut: atomii de metal, având puțini electroni de valență și ținându-i slab, îi cedează în comun. Rezultă o rețea de ioni pozitivi fixați în poziții ordonate, scufundată într-un „nor” sau „mare” de electroni liberi, care nu mai aparțin niciunui atom anume și se pot mișca prin toată bucata de metal.

Această imagine explică direct toate proprietățile metalelor pe care le-ai învățat la capitolul anterior:

• conduc curentul electric — electronii liberi se pot deplasa ordonat sub acțiunea tensiunii; și, spre deosebire de compușii ionici, metalele conduc curentul și în stare solidă
• conduc căldura — tot electronii mobili transportă rapid energia
• sunt maleabile și ductile — straturile de ioni pot aluneca unele peste altele fără ca legătura să se rupă, pentru că norul de electroni se rearanjează; de aceea metalul se îndoaie, în timp ce un cristal ionic se sparge
• au luciu metalic — electronii liberi reflectă lumina

Comparația cerută des la teste este exact aceasta: și metalele, și compușii ionici conțin ioni pozitivi, dar în metal există electroni liberi, iar în cristalul ionic electronii sunt fixați pe anioni. De aici diferența de comportament la lovire și la conducerea curentului în stare solidă.

Aliajele (oțel, bronz, alamă) sunt amestecuri de metale în care legătura rămâne metalică, dar prezența atomilor de dimensiuni diferite îngreunează alunecarea straturilor, ceea ce face aliajul mai dur decât metalele pure din care provine.

Formule și reprezentări: cum arăți legătura pe hârtie

La evaluare ți se cere frecvent nu doar să numești tipul de legătură, ci și să reprezinți formarea ei. Există trei tipuri de scriere, iar folosirea greșită a uneia în locul alteia este o pierdere sigură de punctaj.

Formula moleculară arată doar felul și numărul atomilor: H2O, CO2, NaCl. Indicele scris jos-dreapta se referă doar la atomul de dinaintea lui; H2O înseamnă doi atomi de hidrogen și unul de oxigen.

Formula structurală arată legăturile prin liniuțe, fiecare liniuță însemnând o pereche de electroni pusă în comun:

• H−H, Cl−Cl, O=O, N≡N
• apa: H−O−H
• amoniacul: cei trei atomi de hidrogen legați fiecare de azot
• dioxidul de carbon: O=C=O

Reprezentarea prin electroni (schema cu puncte) arată explicit electronii de valență și perechile puse în comun. Pentru legătura ionică nu se desenează liniuțe, ci transferul: se arată electronul care trece de la metal la nemetal și apoi cei doi ioni cu sarcinile lor, între paranteze drepte.

Câteva reguli practice de verificare:

• coeficientul din fața formulei înmulțește toată formula: 2H2O înseamnă două molecule de apă, adică 4 atomi de hidrogen și 2 de oxigen
• la formulele covalente, hidrogenul formează întotdeauna o singură legătură, oxigenul două, azotul trei, carbonul patru — dacă desenul tău încalcă asta, e greșit
• la compușii ionici nu se trag liniuțe între ioni, pentru că nu există electroni puși în comun

Ultima confuzie de evitat: valența unui element (numărul de legături pe care le poate forma) nu este același lucru cu sarcina ionului. Oxigenul are valența 2 și în apă, unde nu există ioni, și în Na2O, unde apare ca O2−.

Test — 6 întrebări ca la examen