Legături chimice și geometrie moleculară

O legătură chimică este ceea ce scade energia unui set de atomi atunci când rămân în legătură. Atomii își așază electronii în trei moduri largi: îi transferă (ionic), îi împart între două nuclee (covalent) sau îi pun în comun pe întreaga rețea (metalic). Substanțele reale formează un continuum — împărțirea din legătura C–H este mult mai echilibrată decât în legătura O–H — dar fiecare structură de pe această pagină este construită pe o întrebare: dat fiind electronii de valență, unde trebuie să ajungă atomii?

Diferența de electronegativitate ΔEN ordonează continuumul: aproape de 0 împărțirea este egală (covalentă nepolară), în jur de 0,4–1,7 este dezechilibrată (covalentă polară), iar peste aproximativ 1,7 o descriere cu transfer complet câștigă de obicei. Electronegativitatea crește spre dreapta și în sus în tabelul periodic, de aceea F trage cel mai tare dintre toate.

O legătură polară are un dipol de legătură — un vector mic care arată de la capătul pozitiv spre atomul negativ (lacom de electroni). Dacă molecula este polară este o întrebare de geometrie: se adună vectorii. CO₂ și H₂O conțin amândouă legături puternic polare, dar CO₂ este liniară (AX2, 180°), deci cei doi dipoli indică în direcții opuse și se anulează, în timp ce H₂O este îndoită (AX2E2, 104,5°), deci se întăresc într-un dipol net de 1,85 D. Panoul Polaritate de mai sus rulează exact acest raționament pentru fiecare geometrie.

Teoria repulsiei perechilor de electroni din stratul de valență prezice forma prin numărarea domeniilor de electroni din jurul atomului central — fiecare legătură simplă, dublă sau triplă contează ca un domeniu, la fel ca fiecare pereche neparticipantă. Două domenii se aranjează liniar, trei trigonal plan, patru tetraedric, cinci bipiramidal trigonal, șase octaedric. Notația AXE consemnează răspunsul: un atom central, X_n atomi de legătură, E_m perechi neparticipante. Se urmărește cum se micșorează unghiurile pe măsură ce perechile neparticipante înlocuiesc legăturile în seria izoelectronică CH₄ (109,5°) → NH₃ (107°) → H₂O (104,5°): aceleași patru domenii, din ce în ce mai multe neparticipante. Geometria moleculară diferă de geometria domeniilor electronice ori de câte ori există perechi neparticipante — domeniile apei sunt tetraedrice, deși atomii formează o formă îndoită. De aceea cele două perechi neparticipante ale apei o îndoaie până la 104,5°, în timp ce cele două legături duble ale CO₂ o lasă riguros liniară.

Teoria legăturii de valență explică legăturile direcționate ale acestor geometrii prin amestecarea orbitalilor s și p ai atomului în hibrizi care indică unde indică domeniile: 2 domenii → sp (180°), 3 → sp² (120°), 4 → sp³ (109,5°), 5 → sp³d, 6 → sp³d². Eticheta trebuie tratată ca evidență pentru „atâtea direcții echivalente” și nu ca o rețetă literală. Sarcina formală este evidența complementară pentru ce structură Lewis să se deseneze: SF = electronii de valență − electronii perechilor neparticipante − jumătate din electronii de legătură. Carbonul din CH₄ primește 4 − 0 − 4 = 0; cea mai bună structură este cea care minimizează sarcinile formale și le elimină din interior. Rezonanța este recunoașterea onestă că un singur desen nu este suficient — ambele legături S–O din SO₂ sunt echivalente, cu ordinul de legătură 1,5, și nu alternează simplă și dublă.

Atomii din a doua linie (C, N, O, F) au strict limita de opt electroni. Dincolo de aceasta, regulile se relaxează: BF₃ supraviețuiește cu doar șase în jurul borului (ceea ce îl face un acceptor avid de perechi de electroni), în timp ce atomii din linia a treia și cei mai grei se extind fără obiecții — PCl₅ și SF₆ găzduiesc 10 și 12, iar XeF₄ încape patru legături plus două perechi neparticipante într-un aranjament octaedric, aplatizându-se până la pătrat plan.

• Legăturile polare fac o moleculă polară. Doar dacă geometria nu le anulează — CO₂, BF₃, CH₄, SF₆ și XeF₄ conțin toate legături polare sau identice, aranjate suficient de simetric pentru a fi nepolare.
• O legătură dublă înseamnă două domenii. Repulsă ca un singur domeniu gros; cele două legături duble C=O din CO₂ dau tot numărul steric 2 și o formă liniară.
• Geometria moleculară = geometria electronică. Adevărat doar fără perechi neparticipante; domeniile NH₃ sunt tetraedrice, iar atomii săi formează o piramidă trigonală.
• Structura Lewis este molecula. Este o schiță de evidență; rezonanța (SO₂), delocalizarea (benzen) și măsurătorile (ambele legături S–O sunt egale) depășesc în mod obișnuit orice desen unic.

Instrumente înrudite: Configurația electronică (numărarea electronilor de valență care formează legăturile), Chimie organică (formele grupelor funcționale) și Editorul de structuri (desenarea moleculelor).