Chimie introductivă

În reacțiile chimice obișnuite, nucleul fiecărui atom (și astfel identitatea elementului) rămâne neschimbată. Cu toate acestea, electronii pot fi adăugați la atomi prin transfer de la alți atomi, pierduți prin transfer la alți atomi sau împărțiți cu alți atomi. Transferul și schimbul de electroni între atomi guvernează chimia elementelor. În timpul formării unor compuși, atomii câștigă sau pierd electroni și formează particule încărcate electric numite ioni (figura 1).

Figura 1. (a) Un atom de sodiu (Na) are un număr egal de protoni și electroni (11) și nu este încărcat. (b) Un cation de sodiu (Na+) a pierdut un electron, astfel încât are cu un proton (11) mai mult decât electroni (10), ceea ce îi conferă o sarcină globală pozitivă, semnificată prin semnul plus supraevaluat.

Puteți utiliza tabelul periodic pentru a prezice dacă un atom va forma un anion sau un cation și puteți adesea prezice sarcina ionului rezultat. Atomii multor metale din grupa principală pierd suficienți electroni pentru a rămâne cu același număr de electroni ca un atom din gazul nobil precedent. Pentru a ilustra, un atom al unui metal alcalin (grupa 1) pierde un electron și formează un cation cu sarcina 1+; un metal alcalino-pământean (grupa 2) pierde doi electroni și formează un cation cu sarcina 2+, și așa mai departe. De exemplu, un atom neutru de calciu, cu 20 de protoni și 20 de electroni, pierde cu ușurință doi electroni. Astfel, rezultă un cation cu 20 de protoni, 18 electroni și o sarcină 2+. Acesta are același număr de electroni ca și atomii gazului nobil precedent, argonul, și este simbolizat Ca2+. Numele unui ion metalic este același cu numele atomului de metal din care se formează, astfel încât Ca2+ se numește ion de calciu.

Când atomii elementelor nemetalice formează ioni, aceștia câștigă, în general, suficienți electroni pentru a avea același număr de electroni ca un atom al următorului gaz nobil din tabelul periodic. Atomii din grupa 17 capătă un electron și formează anioni cu sarcină 1; atomii din grupa 16 capătă doi electroni și formează ioni cu sarcină 2, și așa mai departe. De exemplu, atomul neutru de brom, cu 35 de protoni și 35 de electroni, poate câștiga un electron pentru a avea 36 de electroni. Astfel, rezultă un anion cu 35 de protoni, 36 de electroni și o sarcină 1-. Acesta are același număr de electroni ca și atomii următorului gaz nobil, kripton, și este simbolizat Br-. (O discuție a teoriei care susține statutul favorizat al numerelor de electroni ai gazelor nobile reflectat în aceste reguli de predicție pentru formarea ionilor este oferită într-un capitol ulterior al acestui text.)

Rețineți utilitatea tabelului periodic pentru a prezice formarea și sarcina probabilă a ionilor (figura 2). Trecând de la extrema stângă spre dreapta pe tabelul periodic, elementele din grupa principală tind să formeze cationi cu o sarcină egală cu numărul grupei. Altfel spus, elementele din grupa 1 formează ioni 1+; elementele din grupa 2 formează ioni 2+, și așa mai departe. Deplasându-se de la extrema dreaptă spre stânga în tabelul periodic, elementele formează adesea anioni cu o sarcină negativă egală cu numărul de grupe deplasate spre stânga față de gazele nobile. De exemplu, elementele din grupa 17 (o grupă din stânga gazelor nobile) formează ioni 1-; elementele din grupa 16 (două grupe din stânga) formează ioni 2-, și așa mai departe. Această tendință poate fi folosită ca un ghid în multe cazuri, dar valoarea sa predictivă scade atunci când se deplasează spre centrul tabelului periodic. De fapt, metalele de tranziție și unele alte metale prezintă adesea sarcini variabile care nu sunt previzibile prin poziția lor în tabel. De exemplu, cuprul poate forma ioni cu o sarcină 1+ sau 2+, iar fierul poate forma ioni cu o sarcină 2+ sau 3+.

Figura 2. Unele elemente prezintă un model regulat de sarcină ionică atunci când formează ioni.

Natura forțelor de atracție care țin împreună atomii sau ionii într-un compus este baza pentru clasificarea legăturii chimice. Atunci când electronii sunt transferați și se formează ioni, rezultă legături ionice. Legăturile ionice sunt forțe electrostatice de atracție, adică forțele de atracție experimentate între obiectele de sarcină electrică opusă (în acest caz, cationi și anioni). Atunci când electronii sunt „împărțiți” și se formează molecule, rezultă legături covalente. Legăturile covalente sunt forțele de atracție dintre nucleele încărcate pozitiv ale atomilor legați și una sau mai multe perechi de electroni care se află între atomi. Compușii sunt clasificați ca ionici sau moleculari (covalenți) pe baza legăturilor prezente în ei.

Compuși ionici

Când un element compus din atomi care pierd ușor electroni (un metal) reacționează cu un element compus din atomi care câștigă ușor electroni (un nemetal), are loc de obicei un transfer de electroni, producând ioni. Compusul format prin acest transfer este stabilizat de atracțiile electrostatice (legături ionice) dintre ionii de sarcină opusă prezenți în compus. De exemplu, atunci când fiecare atom de sodiu dintr-o probă de sodiu metalic (grupa 1) cedează un electron pentru a forma un cation de sodiu, Na+, iar fiecare atom de clor dintr-o probă de clor gazos (grupa 17) acceptă un electron pentru a forma un anion de clorură, Cl-, compusul rezultat, NaCl, este format din ioni de sodiu și ioni de clorură în proporție de un ion Na+ pentru fiecare ion Cl-. În mod similar, fiecare atom de calciu (grupa 2) poate ceda doi electroni și poate transfera câte unul fiecăruia dintre cei doi atomi de clor pentru a forma CaCl2, care este compus din ioni Ca2+ și ioni Cl- în proporție de un ion Ca2+ pentru doi ioni Cl-.

Un compus care conține ioni și este ținut împreună prin legături ionice se numește compus ionic. Tabelul periodic ne poate ajuta să recunoaștem mulți dintre compușii care sunt ionici: Atunci când un metal este combinat cu unul sau mai multe nemetale, compusul este de obicei ionic. Această linie directoare funcționează bine pentru a prezice formarea compușilor ionici pentru majoritatea compușilor întâlniți în mod obișnuit într-un curs introductiv de chimie. Cu toate acestea, nu este întotdeauna adevărată (de exemplu, clorura de aluminiu, AlCl3, nu este ionică).

De multe ori puteți recunoaște compușii ionici datorită proprietăților lor. Compușii ionici sunt solide care, de obicei, se topesc la temperaturi ridicate și fierb la temperaturi și mai ridicate. De exemplu, clorura de sodiu se topește la 801 °C și fierbe la 1413 °C. (Ca o comparație, compusul molecular apa se topește la 0 °C și fierbe la 100 °C). În formă solidă, un compus ionic nu este conducător electric, deoarece ionii săi nu pot circula („electricitatea” este fluxul de particule încărcate). Cu toate acestea, atunci când este topit, el poate conduce electricitatea deoarece ionii săi sunt capabili să se deplaseze liber prin lichid (figura 3).

Figura 3. Clorura de sodiu se topește la 801 °C și conduce electricitatea atunci când este topită. (credit: modificare a lucrării lui Mark Blaser și Matt Evans)

Compuși moleculari

Mulți compuși nu conțin ioni, ci constau doar din molecule discrete, neutre. Acești compuși moleculari (compuși covalenți) rezultă atunci când atomii împart, mai degrabă decât transferă (câștigă sau pierd), electroni. Legătura covalentă este un concept important și extins în chimie și va fi tratat în detaliu într-un capitol ulterior al acestui text. Adesea, putem identifica compușii moleculari pe baza proprietăților lor fizice. În condiții normale, compușii moleculari există adesea sub formă de gaze, lichide cu punct de fierbere scăzut și solide cu punct de topire scăzut, deși există multe excepții importante.

În timp ce compușii ionici se formează de obicei atunci când un metal și un nemetal se combină, compușii covalenți se formează de obicei printr-o combinație de nemetale. Astfel, tabelul periodic ne poate ajuta să recunoaștem mulți dintre compușii care sunt covalenți. Deși putem folosi pozițiile elementelor unui compus în tabelul periodic pentru a prezice dacă acesta este ionic sau covalent în acest moment al studiului nostru de chimie, trebuie să fiți conștienți de faptul că aceasta este o abordare foarte simplistă care nu ține cont de o serie de excepții interesante. Există nuanțe de gri între compușii ionici și cei moleculari, iar despre acestea veți afla mai multe mai târziu.

.

Glosar

legătură covalentă: forță de atracție între nucleele atomilor unei molecule și perechile de electroni dintre atomi

compus covalent: (de asemenea, compus molecular) compus din molecule formate din atomi a două sau mai multe elemente diferite

legătură ionică: forțe electrostatice de atracție între ionii cu sarcină opusă ai unui compus ionic

compus ionic: compus format din cationi și anioni combinați în raporturi, rezultând o substanță neutră din punct de vedere electric

compus molecular: (și compus covalent) alcătuit din molecule formate din atomi a două sau mai multe elemente diferite

Ion monatomic: ion alcătuit dintr-un singur atom

.