Legătura covalentă

Atomii de nemetale nu cedează ușor electroni, dar se pot completa unii pe alții punând în comun electroni. Într-o legătură covalentă, doi atomi folosesc împreună o pereche de electroni. Perechea aparține ambilor atomi, iar atomii rămân legați. Prin punerea în comun, fiecare atom ajunge la ultimul strat complet: hidrogenul la 2 electroni (dublet), iar atomii de carbon, azot, oxigen și clor la 8 electroni (octet). Substanțele formate din molecule legate astfel se numesc substanțe covalente.

Formarea moleculei de hidrogen, în pași:

1. Un atom de hidrogen are un singur electron, iar primul strat se completează cu 2.
2. Doi atomi de hidrogen își pun în comun electronii, formând o pereche comună.
3. Fiecare atom „vede” acum 2 electroni, deci are stratul complet.
4. Se scrie $\mathrm{H}:\mathrm{H}$ sau, cu o linie pentru perechea comună, $\mathrm{H}-\mathrm{H}$.

Numărul de legături pe care le formează un atom este egal cu numărul electronilor care îi lipsesc până la completarea stratului: hidrogenul și clorul formează o legătură, oxigenul două, azotul trei, carbonul patru. De aceea moleculele au formulele ${\mathrm{H}}_2$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ (câte o pereche comună), ${\mathrm{O}}_2$ (două perechi, legătură dublă, $\mathrm{O}=\mathrm{O}$), ${\mathrm{N}}_2$ (trei perechi, legătură triplă, $\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$), $\mathrm{HCl}$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ și $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$.

Substanțe covalente întâlnim zilnic: apa, oxigenul din aer, dioxidul de carbon din băuturile acidulate, metanul din gazul de aragaz și zahărul. Atomii din fiecare moleculă sunt legați strâns, iar moleculele între ele se țin prin forțe mult mai slabe, de aceea substanțele moleculare se topesc și fierb la temperaturi joase: oxigenul și metanul sunt gaze la temperatura camerei, iar apa este lichidă.

În apă, oxigenul formează două legături cu hidrogenul și păstrează două perechi de electroni nefolosite în legături, numite perechi neparticipante. Azotul din amoniac formează trei legături și păstrează o pereche neparticipantă, iar carbonul din metan formează patru legături.

Când atomii sunt identici, ca în ${\mathrm{H}}_2$, perechea comună se află la mijloc: legătura este nepolară. În $\mathrm{HCl}$, clorul atrage mai puternic perechea de electroni, deci legătura este polară. Formula moleculară arată numărul atomilor din moleculă, iar formula structurală arată și legăturile dintre ei.

Reprezentarea Lewis folosește electronii de valență pentru a arăta perechile comune și perechile neparticipante. În apă, schema $\begin{array}{c}\cdot \cdot \\ \mathrm{H}:\mathrm{O}:\mathrm{H}\\ \cdot \cdot \end{array}$ are două perechi comune între O și H și două perechi neparticipante pe O.

Exemplu 1, amoniacul. Azotul are $5$ electroni de valență, iar fiecare hidrogen câte unul.

1. Numărul total de electroni de valență este $5+3\cdot 1=8$, adică $4$ perechi.
2. Azotul, atomul central, se leagă de cei trei atomi de hidrogen prin trei legături simple. Ele folosesc $3$ perechi.
3. Cea de-a patra pereche rămâne pe azot ca pereche neparticipantă, deci azotul are octet.
4. Fiecare hidrogen are dublet. Formula este $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, cu trei legături $\mathrm{N}-\mathrm{H}$.

Exemplu 2, dioxidul de carbon. Carbonul aduce $4$ electroni de valență, iar fiecare oxigen $6$, deci în total $4+2\cdot 6=16$ electroni.

1. Așezăm carbonul între cei doi atomi de oxigen.
2. Cu două legături simple și trei perechi neparticipante pe fiecare oxigen, carbonul ar avea doar patru electroni în jurul lui.
3. Pentru octet, câte o pereche neparticipantă de pe fiecare oxigen devine pereche comună cu carbonul, deci apar două legături duble: $\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}$.
4. Fiecare oxigen păstrează două perechi neparticipante, carbonul niciuna. Cele două legături duble folosesc opt electroni, iar perechile neparticipante încă opt: total $16$.

Exemplu 3, metanul. Carbonul are $4$ electroni de valență, iar fiecare hidrogen câte $1$, deci în total $4+4\cdot 1=8$ electroni, adică $4$ perechi. Toate cele patru perechi devin perechi comune între carbon și câte un hidrogen: $4$ legături $\mathrm{C}-\mathrm{H}$. Carbonul are octet, fiecare hidrogen are dublet, nu rămân perechi neparticipante. Cele patru legături sunt orientate spre colțurile unui tetraedru.

Exemplu 4, energia legăturii. Ruperea unei legături cere energie, egală cu cea eliberată la formarea ei. Pentru un mol de legături: $\mathrm{H}-\mathrm{H}$ $436$ kJ, $\mathrm{O}=\mathrm{O}$ $498$ kJ, $\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$ $945$ kJ. Pentru a rupe legăturile din $14$ g de azot, cu $M({\mathrm{N}}_2)=28$ g/mol, se calculează $n=14/28=0,5$ mol și energia $0,5\cdot 945=472,5$ kJ. Legătura triplă este foarte puternică, de aceea azotul este puțin reactiv. Cele trei valori cresc în ordinea numărului de perechi comune: cu cât între aceiași doi atomi sunt mai multe perechi comune, cu atât legătura este mai scurtă și mai greu de rupt. Formarea legăturilor este un proces exoterm.

Proprietăți ale substanțelor covalente. Moleculele sunt legate între ele prin forțe slabe, deci substanțele moleculare au temperaturi de topire și de fierbere joase: metanul fierbe la $-162{}^{\circ }\mathrm{C}$, oxigenul la $-183{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar apa la $100{}^{\circ }\mathrm{C}$. În stare pură, substanțele moleculare nu conduc curentul electric, deoarece nu conțin ioni. Există și substanțe covalente fără molecule: în diamant, fiecare atom de carbon este legat covalent de alți patru atomi de carbon, într-o rețea continuă, de aceea diamantul este foarte dur și se topește la temperaturi foarte înalte.

Numărarea legăturilor. Covalența unui nemetal este numărul legăturilor pe care le formează: $\mathrm{H}$ $1$; $\mathrm{C}$ $4$; $\mathrm{N}$ $3$; $\mathrm{O}$ $2$; halogenii $1$. Fiecare legătură dublă numără $2$, iar cea triplă numără $3$.

Lungimea și energia. Cu cât ordinul de legătură este mai mare, cu atât legătura este mai scurtă și mai puternică: $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ $154\mathrm{pm}$, $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ $134\mathrm{pm}$, $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$ $120\mathrm{pm}$.

Algoritm pentru formula Lewis.

1. Se adună electronii de valență ai tuturor atomilor (se corectează cu sarcina ionului).
2. Se leagă atomii prin legături simple, plecând de la atomul central.
3. Se completează octetul atomilor terminali cu perechi neparticipante, apoi se transformă perechile în legături multiple până când atomul central are octet.
4. Se verifică totalul de electroni.

Exemplu: $\mathrm{HCN}$. Electroni de valență: $1+4+5=10$. Structura $\mathrm{H}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ folosește $2+6=8$ electroni în legături, iar perechea neparticipantă de pe azot adaugă $2$, total $10$. Molecula are $2$ legături $\sigma$ și $2$ legături $\pi$.

Alte verificări: ${\mathrm{N}}_2$ are o legătură triplă și câte o pereche neparticipantă pe fiecare azot ($6+4=10$ electroni); ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ are structura $\mathrm{H}-\mathrm{O}-\mathrm{O}-\mathrm{H}$, trei legături covalente și patru perechi neparticipante; $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ au respectiv $0$, $1$ și $2$ perechi neparticipante pe atomul central.

Fac excepție de la octet moleculele $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$, în care borul are șase electroni, și $\mathrm{PC}{\mathrm{l}}_5$, în care fosforul are zece.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații:

1. molecula ${\mathrm{N}}_2$ conține o legătură $\sigma$ și două legături $\pi$;
2. molecula $\mathrm{HCN}$ conține trei legături $\sigma$;
3. molecula $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ conține în total patru perechi neparticipante;
4. molecula ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ conține o singură pereche neparticipantă.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: în $\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$ legătura triplă este o legătură $\sigma$ și două $\pi$, deci 1 este adevărată. În $\mathrm{H}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ sunt două legături $\sigma$ (una $\mathrm{H}-\mathrm{C}$, una în legătura triplă $\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$) și două $\pi$, deci 2 este falsă. În $\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}$ fiecare oxigen are două perechi neparticipante, în total patru, deci 3 este adevărată. Oxigenul din apă are două perechi neparticipante, deci 4 este falsă. Sunt adevărate 1 și 3. Răspuns: B.

Greșeli frecvente

• Greșit: În ${\mathrm{O}}_2$ atomii sunt legați printr-o singură pereche comună.
  Corect: legătura este dublă, cu două perechi comune.
• Greșit: Perechile neparticipante din ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ se află pe hidrogen.
  Corect: cele două perechi neparticipante se află pe oxigen.
• Greșit: Legătura covalentă se formează prin cedarea unui electron de la un atom la altul.
  Corect: electronii se pun în comun; transferul de electroni este caracteristic legăturii ionice.
• Greșit: Molecula ${\mathrm{N}}_2$ are o legătură simplă, ca ${\mathrm{H}}_2$.
  Corect: azotul are trei electroni necuplați pe ultimul strat, deci formează o legătură triplă, cu trei perechi comune.

Înainte și după