Liaison covalente

Liaison covalente

Contexte et explication actuelle

Les liaisons covalentes sont formées à la suite de la mise en commun d'un ou plusieurs électrons. En liaison covalente classique, chaque atome fait don de la moitié des électrons à partager. Selon les théories réelles , ce partage d'électrons est à la suite de l' électronégativité ( électro-attracteur capacité ) des atomes liés . Tant que la différence d'électronégativité est supérieure à 1,7 pas des atomes ne peuvent partager les électrons de liaison .
Etant dans l'impossibilité d'expliquer complexe de coordination et également la structure d'un grand nombre de composés communs , nouvelles variantes de la théorie liée covalente sont proposées. Dans la théorie Valence Bond (VB) - l'un des must représentant en mécanique quantique - un atome réorganise son orbitale atomique avant la formation de la liaison . L'équation qui sert de modèle mathématique pour le mouvement des électrons à l'intérieur des atomes est connu comme l'équation de Schrödinger :

où: m est la masse de l'électron , E est l' énergie totale , V est son énergie potentielle , et h est la constante de Planck . La solution de l' équation de Schrodinger , ce qui donne la répartition de densité d'électrons sont appelés orbitale .
Les types les plus simples de orbitale s et p sont présentés dans la figure . 1 .
 
Figure 1 . S et P orbitales formes

Le s orbital a une symétrie sphérique et p orbital a une forme bilobaire avec un noeud au milieu.
Dans le cas le plus simple , un bond covalente doit être formé par la superposition de deux orbitale atomique comme dans la figure . 2
 
Figure 2 . Covalente hypothétique lié entre S et P orbital

Au lieu d'utiliser directement l'orbitale atomique , des mélanges d' entre eux ( hybrides) sont formés. Ce processus de mélange est appelé hybridation et, comme résultat , on obtient spatialement dirigée orbitale hybride .
Nous allons décrire une hybridation simple pour S et P orbital. Dans ce cas, nous pouvons avoir trois types de base de l'hybridation : sp3 , sp2 et sp. Ces termes se rapportent spécifiquement à l'hybridation de l'atome et indiquent le nombre de p orbital utilisé pour former des hybrides .
Dans hybridation sp3 tous les trois orbitales p sont mélangés avec le orbitale s pour générer quatre nouveaux hybrides ( tout sera sous forme σ des liaisons de type ou de détenir des paires d'électrons isolés) .
 
Figure 3 hybridation sp3

Si deux orbitales p sont utilisés dans la fabrication des hybrides avec l' orbitale s , on obtient trois nouveaux orbitale hybride qui forme des liaisons de type σ ( ou détenir des paires d'électrons isolés) , et le p " utilisé " peut participer à une liaison de type π . Nous appelons cette hybridation sp2 arrangement.
Si une seule orbitale p est mélangé avec l' orbitale s , en sp hybridation , nous produisons deux hybrides qui participeront à σ type de liaison (ou détenir une paire électron célibataire ) . Dans ce cas, le reste de deux orbitale p peut être une partie de deux systèmes π perpendiculaires.

Un atome ajustera son hybridation de manière à former les plus fortes liaisons possibles et de garder toute sa liaison et d'électrons monoparentales paire dans des hybrides à faible consommation d'énergie que possible, et autant de l'autre que possible (pour minimiser électron-électron répulsions ).
Dans l'exemple de constitution plus simple en molécules d'hydrogène :

Les atomes d'hydrogène ont besoin de deux électrons dans leur niveau externe pour atteindre la structure du gaz noble de l'hélium . La liaison covalente, formé par le partage d'un électron à partir de tous les atomes d'hydrogène, contenant les deux atomes ensemble parce que la paire d' électrons est attiré par les deux noyaux .
Afin d'expliquer la forme d'un molécules mécanique quantique proposer une nouvelle théorie appelée , la théorie de la répulsion de paire électron " . Selon ce document, la forme d'une molécule ou d'un ion est régie par l'agencement des paires d'électrons sur la dernière couche autour de l'atome central , cet agencement est réalisé de manière à produire la quantité minimale de répulsion entre eux.
Dans le cas de deux paires d'électrons (comme BeCl2 ) autour de l' atome central molécule est linéaire en raison d'un angle de 180 ° assurer une interaction minimale entre des paires d'électrons .

Dans le cas de trois paires d'électrons autour de l'atome central (BF3 ou BCl3 ) les molécules adoptent une forme trigonale plane avec un angle de liaison de 120 ° :

Dans le cas de quatre paires d'électrons autour de l'atome central ( CH4) , nous avons un arrangement tétraédrique. Un tétraèdre est une pyramide régulière à base triangulaire . L'atome de carbone serait au centre et de l'hydrogène dans les quatre coins. Tous les angles de liaison sont 109,5 ° .
 
Pendant cinq paires autour atome central ( PF5 ) , la forme est une bipyramide trigonale . Trois d'entre du fluor sont dans un plan à 120 ° l' une de l'autre , les deux autres sont perpendiculaires à ce plan. Le bipyramide trigonal a donc deux angles différents obligataires - 120 ° et 90 ° .
 
En cas de six paires d'électrons autour de l'atome central (SF6 ), la structure est un octaèdre .

Orbital théorie moléculaire (MO) est une autre façon de décrire la structure moléculaire et la densité d'électrons . La prémisse fondamentale de la théorie MO est que les orbitales utilisées pour décrire la molécule ne sont pas nécessairement associés à des liens particuliers entre les atomes , mais peut englober tous les atomes de la molécule. Orbitales moléculaires sont constitués de combinaisons d' orbitales atomiques . En théorie simple orbitale moléculaire (MO) , un certain nombre d' orbitales atomiques se combinent pour former le même nombre d' orbitales moléculaires . Par exemple, "n" orbitales atomiques se combinent pour former "n" orbitales moléculaires .

Les propriétés de la molécule sont décrits par la somme des contributions de tous les orbitales ayant des électrons .
Dans collage localisé le nombre des orbitales atomiques qui se chevauchent est de deux ( contenant chacun un électron ) , de sorte que deux orbitales moléculaires sont générés . L'une d'elles , appelée une orbitale liante , a une énergie inférieure à l' orbitale atomique d'origine, et l'autre , appelée une orbitale antiliantes , a une énergie plus élevée . Comme orbital de l'énergie inférieure de remplir d'abord , dans le cas d' un échange d' électrons entre les atomes , les électrons entrent dans la nouvelle liaison orbitale moléculaire , depuis une orbitale peut contenir deux électrons . Dans ce cas, le antiliant orbital reste vide dans l'état du sol.
Prenons la molécule simple - H2 . Chaque atome d'hydrogène possède un électron dans une orbitale 1s. Quand ils se rencontrent, ces deux orbitales 1s chevauchent comme dans la figure . 4 et de former l'orbitale lié.
Dans le même temps, une densité d'électrons supérieure entre des atomes est compté .
L'autre anti- collage orbital est vide et a une forme qui conduirait à électrons passent plus de temps hors de la région entre les deux atomes . Pour cette raison, cette orbitale est considéré comme un .
 
Figure 4. Collage et antiliantes orbitale moléculaire molécule d'hydrogène

Modèle proposé de liaison covalente 

En théorie proposé une borne covalente implique uniquement un couplage des moments magnétiques des atomes individuels de manière à obtenir une plus grande stabilité . Les électrons restent et orbite autour de noyau proprement dit, et par conséquent, il n'ya pas de partage d'électrons entre les atomes. Quand un bond covalente est cassé le couplage entre ces moments magnétiques est perdu et bien sûr chaque atome reste avec ses électrons. La situation est très différente dans les théories quantiques , parce que quand une liaison covalente est cassé les électrons sont probabiliste redistribués aux atomes ainsi une forme d'électrons d'un atome peut arriver à l'autre atome participant à destination .
Selon une nouvelle interprétation , chaque atome d' hydrogène possède un moment magnétique électronique due au mouvement des électrons . Le moment magnétique du noyau est inférieure, de sorte qu'il n'est pas important dans ce cas. Le moment magnétique électronique est formé par la combinaison d' orbital et de spin moment magnétique en utilisant des règles connues de vecteurs. Les moyens de liaison covalente qui tous deux des atomes d'attirer mutuellement en raison de l'interaction magnétique entre leurs moments magnétiques . L'interaction simple entre deux moments magnétiques des électrons différent de différents atomes est montré à la figure 5. Les moments magnétiques sont pointés parallèle, mais avec des directions opposées.
Chaque atome est propre électrons et l' orbite électronique seulement autour de son noyau et les orbites des électrons sont situés dans des plans parallèles (figure 5 ) . Il existe un équilibre dynamique sur une distance minimale entre les atomes de carbone, lorsque la force de répulsion électrostatique devient plus forte et d'une distance maximale entre les atomes lorsque le couplage entre les moments magnétiques obligent les atomes se déplacent l'un à l'autre. Il ya aussi une poussée électrostatique due à l'interaction réciproque d'électrons et une poussée nucléaire due à l'interaction réciproque de noyau. Ces interactions régler la distance entre les atomes , parce que lorsque la distance devient inférieure en raison de l'interaction magnétique attractive , l'augmentation de la répulsion électrostatique et l'équilibre est maintenu.

Figure 5 hydrogène formations de liaison covalente

Les molécules d' hydrogène formé en raison de l'orientation opposée des moments magnétiques des électrons a une énergie plus faible comparée à l'état d'atomes d' hydrogène . L'interaction de l'énergie entre les atomes d'hydrogène est donné par:
 
(1.1)

où B1 représentent l'intensité du champ magnétique créé par μ1 au niveau de l'orbite d' un atome secondaire (r2) et B2 représentent l'intensité du champ magnétique créé par μ2 au niveau de la première orbite d' atome (r1 ) .
cos θ1 et θ2 cos représentent l'angle entre μ1 et B2 , respectivement, μ2 et B1 et en raison de la symétrie de la molécule d'hydrogène θ1 = θ2 .
Ainsi, dans une première approximation, un électron se déplace dans le champ magnétique créé par l'autre électron de l' atome autre et réciproquement.
L'orientation de B1 et B2 est antiparallèle avec l'orientation de μ1 , μ2 respectifs ( pour le plan ecuatorial ) . Cela est dû à l'orientation de B tangente à la ligne de champ magnétique créé par μ1 , μ2 respective . Dans la figure 6 est présenté , à titre d'exemple , le moment magnétique produit par électron se déplaçant dans le plan xy avec noyau dans l'origine du système. Le moment magnétique est le long de l'axe z , la ligne de champ magnétique aller de North Pole et entrer dans le Pôle Sud. Le vecteur B est tangente à la ligne de champ magnétique , et au plan équatoriale ( orbite plane d'électrons ) et en sens inverse , puis pôles N et S , B est généralement anti-parallèle avec μ .
En raison de l'orientation des électrons des orbites , en cas d' covalente lié, la même orientation anti-parallèle est également valable pour le μ1 et B2, respectivement B1 et μ2 .
L'énergie d'interaction magnétique entre deux électrons devient :
  ( 1,2 )
θ1 = θ2 = 0 qui signifie cos θ1 = cos θ2 =1
La valeur de B créé par un moment magnétique à la distance r est donnée , en fonction de l'électrodynamique , par:

  ( 1,3 )
où: B est l' intensité du champ ;
r est la distance à partir du centre
λ est la latitude magnétique ( 90 ° - θ ) où θ = colatitudes magnétique , mesurée en radians ou en degrés par rapport à l'axe dipolaire ( colatitudes Magnétique 0 le long de l'axe du dipôle et 90 ° dans le plan perpendiculaire à son axe. ) ;
M est le moment dipolaire , mesurée en ampères mètres-carrés , ce qui équivaut joules par tesla ;
μ0 est la perméabilité de l'espace libre , mesurée en henry par mètre.
Pour notre cas, l = 0 , M = m , de sorte que le champ créé par la première électrons au second niveau d' électrons est
  ( 1,4 )

Figure 6 des orientations antiparallèle de B et M pour le même moment magnétique au plan xy de l'orbite électronique

Et pour la deuxième électron dans un premier temps orbite de l'électron , nous avons:
  ( 1,5 )
L'interaction magnétique est devenu :
 ( 1,6 )
où et et μ0 est la perméabilité de l'espace libre , mesurée en henry par mètre.
Pour les électrons d'hydrogène en raison de la symétrie d'arrangement d'atomes que nous avons comme valeur égale pour les moments magnétiques des électrons , donc nous pouvons écrire :
  (3,7 )
La différence majeure et fondamentale entre la théorie quantique et la théorie proposée est que, après la formation de molécules d'hydrogène , chaque atome d'hydrogène n'a qu'un seul électron autour noyau. L'atome d'hydrogène n'a pas de structure de doublet selon une nouvelle théorie . Il n'y a pas de différence dans la structure atomique entre un atome d' atome d' hydrogène seul et l' atome d'hydrogène dans les molécules . La seule différence réside dans le couplage de moment magnétique de l'hydrogène avec un autre moment magnétique et ce couplage assurer une énergie plus faible dans le cas de la molécule .

A titre de comparaison , mécanique quantique est incapable d'expliquer pourquoi deux spin opposé abaissent l'énergie du système. Dans le même temps, il ya une contradiction dans la théorie réelle lorsque les électrons sont remplis de sous-couche dans la structure atomique et quand une borne covalente est formée . Plus précisément , les électrons remplissent une sous-couche d'abord avec un électron dans chaque orbitale avec spins parallèles et après que les électrons existantes complètent l' occupation orbital avec spin électronique contraire. Donc, si l'état de spin couplé est plus stable, à l'occupation de la sous-couche doit être occupé remplir un chapeau orbital et après un autre orbital.
Pour les autres éléments , lorsque nous avons un seul électron dans la dernière enveloppe , la situation est simple, car les coques intérieures , les moments magnétiques souffrent d'une compensation interne . Qu'est-ce qui s'est passé lorsque nous avons plus d'électrons sur la dernière coquille ?
Normalement, dans les électrons d'état de base forment des paires de rotation opposé , afin de maintenir un faible niveau d' énergie . Mais en interaction avec d'autres réactifs un processus de découplage des paires d'électrons peut arriver. Selon l'état de réaction , sur la structure de l'élément , sur la stabilité du composé formé , il est possible d'avoir un découplage partiel ou un découplage total des électrons à partir de la dernière enveloppe . A titre d'exemple : le chlorure ayant 7 électrons sur la dernière couche , peut participer :
• avec un électron en combinaison chimique , comme dans l'état fondamental ,
• à 3 électrons , ce qui signifie un découplage d'une paire d'électrons , plus l'électron initiale découplée ;
• avec cinq électrons , ce qui signifie un découplage des deux paires d'électrons ainsi que le électrons initiale découplée ;
• avec 7 électrons , ce qui signifie un découplage des trois paires d'électrons , plus l'électron initiale découplée .
Quand un seul électron sur la dernière couche est présentée et nous avons un seul élément lié , l'orientation du moment magnétique électronique n'est pas si important . Bien sûr, la molécule formée est linéaire. Lorsque le nombre de moments magnétiques des électrons est plus grande, la situation est un peu compliqué, mais soluble et facile à comprendre . Les moments magnétiques des électrons sont traités classique ce moyen, l' énergie est minimum lorsque la propagation de moment magnétique est maximale. En conséquence, les moments magnétiques , et bien sûr les limites formés , auront cette orientation afin d'assurer une interaction minimale .
Dans le cas de deux électrons sur la dernière couche , ce qui signifie deux moments magnétiques , et par conséquent deux liaisons covalentes , la molécule est linéaire , l'angle entre les bornes est de 180 ° dans le cas de deux simples lié.
Dans le cas de trois moments magnétiques ( trois bornes simples covalentes ) un arrangement trigonale plane est préférable ou une structure trigonale pyramidale en cas d' atome central avec une paire d'électrons solitaire.
Dans le cas de quatre moments magnétiques ( quatre liaisons simples covalentes ) la molécule aura un arrangement tétraédrique.
Pour cinq et six moment magnétique ( cinq ou six liaisons covalentes simples ), une bipyramide trigonal et une structure octaédrique sont préférés.
En cas de sept moments magnétiques , en raison de l'interaction stérique , il est impératif que minimum une covalente forcément à double raison de la géométrie des molécules.
Chlorure avec sa structure électronique peut former jusqu'à sept liaisons covalentes . Ne soyez pas effrayé par le comptage des nombre d'électrons autour noyau de chlorure . Même nous, nous avons sept covalente bound nous aurons seulement sept électrons sur la dernière couche . Mais, parfois, les formes de structure nécessite la nécessité d'un huitième lié, et dans ce cas le chlorure de captures autre électron , et vont former huit liaisons covalentes . Nous verrons cette situation par exemple à structure perchlorat d'anions.
C'est la situation où seuls limites simples sont formés entre les atomes . Mais ce qui est possible de prédire à l'aide de notre modèle quand une double ou triple liaison est formé ?
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