РАЗДЕЛ И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

3. Химическая связь

3.3. Ковалентная связь

Ковалентная связь³ возникает между атомами неметаллических элементов благодаря образованию между атомами одной или нескольких общих электронных пар. Общие электронные пары между атомами возникают благодаря наличию неспаренных электронов внешнего энергетического уровня (валентных), которые и участвуют в образовании химической связи.

Формулы молекул веществ, у которых общие ковалентные пары, а также электроны внешнего энергетического уровня атомов обозначены точками, называют электронными (каждый электрон обозначают точкой):

Если общая электронная пара обозначена риской, то формулу вещества называют графической:

Общие электронные пары могут образовываться по двум механизмам: обменному и донорно-акцепторным⁴.

Обменный механизм предусматривает обобществление неспаренных электронов двух атомов. Происходит перекрытие орбиталей электронов, которые имеют разные (антипаралельні) спіни, и создания общей для обоих атомов электронной пары.

Атомы, усуспільнюють электроны, могут быть одинаковых или разных. В зависимости от того какие атомы образуют между собой общие электронные пары, ковалентная связь может быть полярным и неполярным. Соответственно этому и молекулы будут полярными или неполярными.

Если общая электронная пара расположена на одинаковом расстоянии от атомных ядер обоих атомов, такую связь называют ковалентным неполярным. Он возникает между одинаковыми атомами (атомами одного элемента) с образованием простого вещества (Н₂, F₂, О₂, N₂...):

Отрицательный заряд совместной пары распределяется между атомами равномерно.

Образования простейшей молекулы - молекулы водорода Н₂. Электронная формула атома Водорода:

₁H 1s¹, или ее графический вариант

Для того чтобы образовалась молекула водорода Н₂, атомы Водорода сближаются. Орбитали каждой пары атомов, которые содержат по одному неспареному электрона с разными спинами, перекрываются. Каждый атом получает дополнительный электрон и получает энергетически более выгодное (по сравнению с изолированными атомами), завершенную электронную оболочку, оболочку атома Гелия:

Образование молекулы Фтора F₂. Электронная формула атома Фтора - ₉F 1s²2s²2р⁵, или

Один из трех р-электронов в атоме есть неспаренным. При образовании общей электронной пары соответствующие орбитали (такие, содержащих электроны с разными спинами) приближаются и перекрываются, образуя одну общую электронную пару В результате каждый атом Фтора получает устойчивую электронную конфигурацию 2s²2p⁶ (октет):

Если связь образуют различные элементы, общая электронная пара, а потому и негативный заряд, несколько смещены в сторону одного из атомных ядер (более электроотрицательного элемента). Вследствие этого атомы приобретают частичного заряда: более электроотрицательный - частичного отрицательного (дельта минус, δ^-), менее электроотрицательный - частичного положительного заряда (дельта плюс, δ⁺). Образуется электрический диполь:

Такую связь называют ковалентной полярным.

Чем больше разница электроотрицательностей у атомов элементов, которые связываются, тем сильнее происходит смещение электронной плотности к более электроотрицательного элемента. Так, в ряду НЕТ, НВr, HCl, HF полярность молекул возрастает, поскольку возрастает разность электроотрицательностей атома галогена и Водорода.

Образование молекулы водород флуориду HF. Электронные формулы - ₁Н 1s¹ и ₉F 1s²2s²2p⁵.

Атомам и Водорода и Фтора до завершения внешнего энергетического уровня не хватает по одному электрону. В результате сближения атомов происходит перекрытие 1s-орбитали атома Водорода и 3p-орбитали атома Фтора. С неспаренных электронов в этих атомов формируется общая ковалентная пара:

Донорно-акцепторный (координационный) механизм образования общей электронной пары. Здесь ковалентная связь образуется за счет неподеленной электронной пары одного атома и свободной орбитали второго атома. Донор - это атом (ион), который предоставляет свою неразделенную электронную пару для образования химической связи. Акцептор - это атом (ион), который принимает на свою свободную (вакантную) орбиталь неразделенную электронную пару второго атома (иона).

Донорно-акцепторный механизм образования иона аммония:

Три связи в молекуле аммиака между атомом Азота и атомами Водорода образуются по обменному механизму, а одна - по донорно-акцепторным.

Стоит заметить, что валентность Азота в ионе аммония - IV, потому что он образует четыре ковалентные связи. Следовательно, если элемент образует ковалентные связи по обменному, и по донорно-акцепторным механизмом, то его валентность будет больше количество неспаренных электронов.

_______________________________________________________________

¹ Американский физик Р. Маллікен (1896-1986) определил электроотрицательности как среднее арифметическое сродства элемента к электрону и энергии ионизации. Это, строго говоря, не совсем правильно, потому что электроотрицательности, кроме этих двух основных величин, зависит от ряда переменных факторов. А значит, и сама электроотрицательности является величиной переменной.

² Лайнус Карл Полинг (1901-1994) - выдающийся американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии (1954).

³ Термин «ковалентная связь» было введено в 1919 г. американским химиком Ирвингом Ленгмюром (1881-1957), лауреатом Нобелевской премии по химии (1932).

⁴ Существует третий механизм (семіполярний), который в общеобразовательной школе не рассматривают.