Какие частицы образуются в ковалентной химической связи. Ковалентная связь: полярная и неполярная, свойства и примеры. Ковалентная полярная химическая связь

Ковалентная (неполярная, полярная) связь. Механизмы образования ковалентной связи

При помощи химической связи атомы элементов в составе веществ удерживаются друг возле друга. Тип химической связи зависит от распределения в молекуле электронной плотности.

Химическая связь - взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решетке под воздействием электрических сил притяжения между атомами. Атом на внешнем энергетическом уровне способен содержать от одного до восьми электронов. Валентные электроны - электроны предвнешнего, внешнего электронных слоев, участвующие в химической связи. Валентность - свойство атомов элемента образовывать химическую связь.

Ковалентная связь образуется за счет общих электронных пар, возникающих на внешних и предвнешних подуровнях связываемых атомов.

Общая электронная пара осуществляется через обменный или донорно-акцепторный механизм. Обменный механизм образования ковалентной связи - спаривание двух неспа-ренных электронов, принадлежащих различным атомам. Донорно-акцепторный механизм образования ковалетной связи - образование связи за счет пары электронов одного атома (донора) и вакантной орбитали другого атома (акцептора).

Есть две основные разновидности ковалентной связи: неполярная и полярная.

Ковалентная неполярная связь возникает между атомами неметалла одного химического элемента (O2, N2, Cl2) - электронное облако связи, образованное общей парой электронов, распределяется в пространстве симметрично по отношению к ядрам обоих атомов.

Ковалентная полярная связь возникает между атомами различных неметаллов (HCl, CO2, N2O) - электронное облако связи смещается к атому с большей электроотрицательностью.

Чем сильнее перекрываются электронные облака, тем прочнее ковалентная связь.

Электроотрицательность - способность атомов химического элемента оттягивать к себе общие электронные пары, участвующие в образовании химической связи.

Свойства ковалентной связи: 1) энергия; 2) длина; 3) насыщаемость; 4) направленность.

Длина связи - расстояние между ядрами атомов, образующих связь.

Энергия связи - количество энергии, необходимое для разрыва связи.

Насыщаемость - способность атомов образовывать определенное число ковалентных связей.

Направленность ковалентной связи - параметр, определяющий пространственную структуру молекул, их геометрию, форму.

Гибридизация - выравнивание орбиталей по форме и энергии. Существует несколько форм перекрывания электронных облаков с образованием?-связей и?-связей (?-связь намного прочнее?-связи, ?-связь может быть только с?-связью). Ковалентная связь - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар. В основе ее также лежит представление о приобретении атомами энергетически выгодной и устойчивой электронной конфигурации из 8 электронов (для атома водорода из 2). Такую конфигурацию атомы получают не путем отдачи или присоединения электронов как в ионной связи, а посредством образования общих электронных пар. Механизм образования такой связи может быть обменный или донорно-акцепторный.

К обменному механизму относят случаи, когда в образовании электронной пары от каждого атома участвует по одному электрону. Например водород: Н2 Н. +Н. >Н:Н или Н-Н. Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары за счет объединения неспаренных электронов. У каждого атома есть по одному s -электрону. Атомы Н равноценны и пары одинаково принадлежат обоим атомам. По этому же принципу происходит образование общих электронных пар (перекрывание р-электронных облаков) при образовании молекулы Сl2. При образовании молекулы N2 Образуются 3 общие электронные пары. Перекрываются р-орбитали. Связь называется неполярная.

При образовании молекулы хлороводорода перекрывается орбиталь s-электрона водорода и орбиталь р-электрона хлора Н-Сl. Связывающая электронная пара смещена к атому хлора, в результате чего образуется диполь, который измеряется дипольным моментом. Связь называется полярная.

По донорно-акцепторному механизму происходит образование иона аммония. Донор (азот) имеет электронную пару, акцептор - (Н+) свободную орбиталь, которую пара электронная азота может занять. В ионе аммония три связи азота с водородом образованы по обменному механизму, а одна по донорно-акцепторному. Все 4 связи равноценны.

Ковалентные связи классифицируют не только по механизму образования общих электронных пар, соединяющих атомы, но и по способу перекрывания электронных орбиталей, по числу общих пар, а также по смещению их. По способу перекрывания - у (сигма s- s, s-р, р-р) р (р-р гантели перекрываются двумя местами). В молекуле азота между атомами существуют одна у-связь и две р-связи, которые находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

По числу общих электронных пар различают: одинарные Н2, НСl; двойные С2Н4, СО2; тройные N2.

По степени смещенности: полярные и неполярные. Связь между атомами с одинаковой электроотрицательностью - неполярная, с разной - полярная.

Исследования ученых позволили сделать вывод, что химическая связь в молекуле водорода осуществляется путем образования пары электронов с противоположно направленными спинами. Каждый электрон занимает место в квантовых ячейках обоих атомов, т.е. движется в силовом поле, образованном двумя силовыми центрами - ядрами атомов водорода. Это представление о механизме образования химической связи было развито учеными Гейтлером и Лондоном на примере водорода.это было распространено и на более сложные молекулы. Разработанная на этой основе теория образования химической связи получила название метода валентных связей. Метод ВС дал теоретическое объяснение важнейших свойств ковалентной связи, позволил понять строение большого числа молекул. Хотя этот метод не оказался универсальным и в ряде случаев не в состоянии правильно описать структуру и свойства молекул - все же он сыграл большую роль в разработке квантово-механической теории химической связи и не потерял своего значение до настоящего времени. В основе метода ВС лежат следующие положения:

Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.

Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

Геометрическая форма s -орбитали сферическая, от центра к краям размазанная (более плотная у ядра, и менее- на краях). Орбитали р-электронов представляют собой гантели, направленные вдоль осей координат. Облака d -электронов имеют более сложную форму. Метод гибридизации орбиталей исходит из предположения, что при образовании молекул вместо исходных s-, р-, d-,f- орбиталей (облаков) образуются такие равноценные «смешанные» или гибридные электронные облака, которые вытянуты по направлению к соседним атомам, благодаря чему достигается более полное их перекрывание с электронными облаками других атомов. На гибридизацию затрачивается энергия, за то она окупается более полным перекрыванием. Получается более прочная молекула. Затраченная на гибридизацию энергия окупается энергией, выделяющейся при образовании связи. Пример -молекула метана.В результате перекрывания четырех гибридных sр3 орбиталей атома углерода и 4 s орбиталей 4-х атомов водорода, образуется тетраэдрическая модель молекулы метана с четырьмя у связями, под углом 1090. Если в молекуле гибридизуется 3-р орбитали, то sр2 гибридизация - молекула этилена, если 2 орбитали sр - гибридизция (ацетилен). У элементов 3 и последующих периодов в образовании гибридных облаков участвуют и d-электроны. В этом случае образуются 6 равноценных гибридных облака, вытянутых к вершинам октаэдра sр3 d2-гибридизация. Такую гибридизацию имеет центральный атом комплексного иона. Этим объясняется их октаэдрическая структура.

Ковалентная связь обладает направленностью. Область перекрывания располагается в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам.

Характер распределения электронов по молекулярным орбиталям позволяет объяснить магнитные свойства частиц. Молекулы, суммарный спин которых равен нулю, проявляют диамагнитные свойства, т.е. во внешнем магнитном поле их собственные магнитные моменты ориентируются против направления поля. Молекулы, суммарный спин которых отличен от нуля, проявляют парамагнитные свойства, т.е. во внешнем магнитном поле их собственные магнитные моменты ориентируются в направлении поля. Таким образом молекула Н2 диамагнитна.

Геометрическая форма молекул зависит от направленности химической связи. Ядра атомов молекул имеющих sр-гибридизацию атомных орбиталей расположены в одной плоскости, sр2 -направлены к вершинам треугольника, sр3 - к верщинам тетраэдра

Ковалентная связь осуществляется за счёт обобществления электронов, принадлежащих обоим участвующим во взаимодействии атомам. Электроотрицательности неметаллов достаточно велики, поэтому передачи электронов не происходит.

Электроны, находящиеся на перекрывающихся электронных орбиталях, поступают в общее пользование. При этом создаётся ситуация, при которой внешние электронные уровни атомов оказываются заполненными, то есть образуется 8-ми или 2-х электронная внешняя оболочка.

Вконтакте

Состояние, при котором электронная оболочка заполнена полностью, характеризуется наименьшей энергией, а соответственно, и максимальной устойчивостью.

Механизмов образования два:

1. донорно-акцепторный;
2. обменный.

В первом случае один из атомов предоставляет свою пару электронов, а второй - свободную электронную орбиталь.

Во втором - в общую пару приходит по одному электрону от каждого участника взаимодействия.

В зависимости от того, к какому типу относятся - атомному или молекулярному, соединения с подобным видом связи могут значительно различаться по физико-химическим характеристикам.

Молекулярные вещества чаще всего газы, жидкость или твёрдые вещества с низкими температурами плавления и кипения, неэлектропроводные, обладающие малой прочностью. К ним можно отнести: водород (H 2), кислород (O 2), азот (N 2), хлор (Cl 2), бром (Br 2), ромбическую серу (S 8), белый фосфор (P 4) и другие простые вещества; диоксид углерода (CO 2), диоксид серы (SO 2), оксид азота V (N 2 O 5), воду (H 2 O), хлороводород (HCl), фтороводород (HF), аммиак (NH 3), метан (CH 4), этиловый спирт (C 2 H 5 OH), органические полимеры и другие.

Вещества атомные существуют в виде прочных кристаллов, имеющих высокие температуры кипения и плавления, не растворимы в воде и прочих растворителях, многие не проводят электрический ток. Как пример можно привести алмаз, который обладает исключительной прочностью. Это объясняется тем, что алмаз представляет собой кристалл, состоящий из атомов углерода, соединённых ковалентными связями. В алмазе нет отдельных молекул. Также атомным строением обладают такие вещества, как графит, кремний (Si), диоксид кремния (SiO 2), карбид кремния (SiC) и другие.

Ковалентные связи могут быть не только одинарными (как в молекуле хлора Cl2), но также двойные, как в молекуле кислорода О2, или тройные, как, например, в молекуле азота N2. При этом тройные имеют большую энергию и более прочны, чем двойные и одинарные.

Ковалентная связь может быть образована как между двумя атомами одного элемента (неполярная), так и между атомами различных химических элементов (полярная).

Указать формулу соединения с ковалентной полярной связью не представляет труда, если сравнить значения электроотрицательностей, входящих в состав молекул атомов. Отсутствие разницы в электроотрицательности определит неполярность. Если же разница есть, то молекула будет полярна.

Не пропустите: механизм образования , конкретные примеры.

Ковалентная неполярная химическая связь

Характерна для простых веществ неметаллов . Электроны принадлежат атомам в равной степени, и смещения электронной плотности не происходит.

Примером могут служить следующие молекулы:

H2, O2, О3, N2, F2, Cl2.

Исключением являются инертные газы . Их внешний энергетический уровень заполнен полностью, и образование молекул им энергетически не выгодно, в связи с чем они существуют в виде отдельных атомов.

Также примером веществ с неполярной ковалентной связью будет, например, РН3. Несмотря на то, что вещество состоит из различных элементов, значения электроотрицательностей элементов фактически не различаются, а значит, смещения электронной пары происходить не будет.

Ковалентная полярная химическая связь

Рассматривая ковалентную полярную связь, примеров можно привести множество: HCl, H2O, H2S, NH3, CH4, CO2, SO3, CCl4, SiO2, СО.

Схема образования ковалентной полярной связи

В зависимости от механизма образования общими могут становиться электроны одного из атомов или обоих .

На картинке наглядно представлено взаимодействие в молекуле соляной кислоты.

Пара электронов принадлежит и одному атому, и второму, у обоих, таким образом, внешние уровни заполнены. Но более электроотрицательный хлор притягивает пару электронов чуть ближе к себе (при этом она остаётся общей). Разница в электроотрицательности недостаточно большая, чтобы пара электронов перешла к одному из атомов полностью. В результате возникает частичный отрицательный заряд у хлора и частичный положительный у водорода. Молекула HCl является полярной молекулой.

Физико-химические свойства связи

Связь можно охарактеризовать следующими свойствами : направленность, полярность, поляризуемость и насыщаемость.

Химическая связь. Типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая, водородная

Химическая связь

Учение о химической связи - центральный вопрос современ­ной химии. Без него нельзя понять причины многообразия хими­ческих соединений, механизмы их образования, строения и реак­ционной способности.

Большинство встречающихся в природе и получаемых искусст­венно веществ в обычных условиях не содержат индивидуальных атомов в химически несвязанном состоянии. Исключение составля­ют лишь благородные газы. В остальных веществах атомы входят в состав молекул этих веществ или образуют кристаллическую решет­ку. Именно возможность атомов связываться друг с другом обуслав­ливает такое широкое многообразие химических веществ при отно­сительно небольшом числе составляющих их химических элементов.

Причины образования химической связи между атомами можно искать в электростатической природе самого атома. Бла­годаря наличию в атомах пространственно разделенных областей, обладающих электрическим зарядом, между различными атома­ми могут возникать электростатические взаимодействия, способ­ные удерживать эти атомы вместе.

При образовании химической связи происходит перераспре­деление в пространстве электронных плотностей, исходно отно­сившихся к различным атомам. Поскольку наименее прочно свя­заны с ядром электроны внешнего уровня, то в образовании химической связи именно этим электронам принадлежит главная роль. Количество химических связей, образованных данным ато­мом в соединении, называют валентностью. По этой причине электроны внешнего уровня называют валентными электронами.

С энергетической точки зрения наиболее устойчивым оказы­вается атом, обладающий завершенным внешним уровнем (чем больше электронов на этом уровне, тем сильнее они связаны с ядром, вспомните закон Кулона). Поэтому благородные газы при обычных условиях находятся в состоянии химически инертного

одноатомного газа. По этой же причине атомы, обладающие не полностью завершенным внешним уровнем, стремятся к его за­вершению. Эта закономерность положена в основу теории образования химической связи в форме положения, сформулированного В. Косселем и Г. Льюисом:

С точки зрения современной теории химической связи, возмож­но несколько способов образования энергетически устойчивой элек­тронной конфигурации. Эти способы приводят к образованию струк­тур различного строения. Соответственно различают ковалентную (обменную и донорно-акцепторную) и ионную связь. Далее мы рас­смотрим каждый из указанных типов связи отдельно.

Механизмы образования ковалентной связи: обменный и донорно-акцепторный

Известно, что неметаллы взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим механизм возникновения ковалентной связи на при­мере образования молекулы водорода:

Н+Н=Н 2 DH=-436кДж/моль

Представим себе, что мы имеем два отдельных изолирован­ных атома водорода. Ядро каждого из свободных атомов водорода окружено сферическим симметричным электронным облаком, образуемым 1s-электроном (см. рис. 5). При сближении атомов до

определенного расстояния происходит частичное перекрывание электронных оболочек (орбиталей) (рис. 6).

В результате между центрами обоих ядер возникает молекуляр­ное двухэлектронное облако, обладающее максимальной электрон­ной плотностью в пространстве между ядрами; увеличение плотнос­ти отрицательного заряд» благоприятствует сильному возрастанию сил притяжения между ядрами и молекулярным облаком.

Итак, ковалентная связь образуется в результате перекрыва­ния электронных облаков атомов, сопровождающегося выделе­нием энергии. Если у сблизившихся до касания атомов водорода расстояние между ядрами составляет 0,106 нм, то после перекрыва­ния электронных облаков (образования молекулы H 2) это расстоя­ние составляет 0,074 нм (рис. 6). Обычно наибольшее перекрывание электронных облаков осуществляется вдоль линии, соединяющей ядра двух атомов. Химическая связь тем прочнее, чем больше пере­крывание электронных орбиталей. В результате возникновения хи­мической связи между двумя атомами водорода каждый из них достигает электронной конфигурации атома благородного газа.

Изображать химические связи принято по-разному:

1) с помощью электронов в виде точек, поставленных у химичес­кого знака элемента. Тогда образование молекулы водорода можно показать схемой:

Н + Н®Н:Н

2) с помощью квантовых ячеек (ячеек Гунда), как размещение двух электронов с противоположными спинами в одной моле­кулярной квантовой ячейке:

Схема, расположенная слева, показывает, что молекулярный энергетический уровень ниже исходных атомных уровней, а значит, молекулярное состояние вещества более устойчиво, чем атомное.

3) часто, особенно в органической химии, ковалентную связь изо­бражают черточкой (штрихом) (например Н-Н), которая сим­волизирует пару электронов.

Ковалентная связь в молекуле хлора также осуществляется с помощью двух общих электронов, или электронной пары:

Как видно, каждый атом хлора имеет три неподеленные пары и один неспаренный электрон. Образование химической связи происходит за счет неспаренных электронов каждого атома. Неспаренные электроны связываются в общую пару электронов, на­зываемую также поделенной парой.

Если между атомами возникла одна ковалентная связь (одна общая электронная пара), то она называется одинарной; если больше, то кратной (две общие электронные пары), тройной (три общие электронные пары).

Одинарная связь изображается одной черточкой (штрихом), двойная - двумя, тройная - тремя. Черточка между двумя атомами показывает, что у них пара электронов обобщена, в результате чего и образовалась химическая связь. С помощью таких черточек изобра­жают последовательность соединения атомов в молекуле (см. §3).

Итак, в молекуле хлора каждый его атом имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (s 2 p 6), причем два из них (электронная пара) в одинаковой мере принадлежат обоим атомам.

Несколько по-иному изображают связь в молекуле кислорода О 2 . Экспериментально установлено, что кислород является пара­магнитным веществом (втягивается в магнитное поле). В его мо­лекуле имеется два неспаренных электрона. Структуру этой мо­лекулы можно изобразить так:

Однозначное решение об изображении электронной структу­ры молекулы кислорода еще не найдено. Однако ее нельзя изо­бражать так:

В молекуле азота N 2 атомы имеют три общие электронные пары:

Очевидно, что молекула азота прочнее молекулы кислорода или хлора, чем и обусловлена значительная инертность азота в химических реакциях.

Химическая связь, осуществляемая электронными парами, называется ковалентной. Это двухэлектронная и двухцентровая (удерживает два ядра) связь. Соединения с ковалентной связью называются гомеополярными, или атомными.

Различают две разновидности ковалентной связи: неполяр­ную и полярную. ,

В случае неполярной ковалентной связи электронное облако, образованное общей парой электронов, или электронное облако свя­зи, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. Примером являются двухатомные молекулы, состоя­щие из атомов одного элемента: Н 2 Cl 2 , О 2 , N 2 , F 2 и др.. в которых электронная пара в одинаковой мере принадлежит обоим атомам.

В случае полярной ковалентной связи электронное облако связи смещено к атому с большей относительной электроотрица­тельностью (см. §6.3.4). Примером могут служить молекулы ле­тучих неорганических соединений: НС1, Н 2 О, H 2 S, NH 3 и др.

Образование молекулы НС1 можно представить схемой:

Электронная пара смещена к атому хлора, так как относи­тельная электроотрицательность атома хлора (2,83) больше, чем атома водорода (2,1).

Ковалентная связь образуется не только за счет перекрыва­ния одноэлектронных облаков, - это обменный механизм обра­зования ковалентной связи.

Возможен и другой механизм образования ковалентной связи - донорно-акцепторный. В этом случае химическая связь возникает за счет двухэлектронного облака одного атома и свобод­ной орбитали другого атома. Рассмотрим в качестве примера ме­ханизм образования иона аммония NH + 4 . В молекуле аммиака атом азота имеет неподеленную пару электронов (двухэлектрон-

ное облако):

У иона водорода свободна (не заполнена) 1s-

орбиталь, что можно обозначить так: Н + . При образовании иона аммония двухэлектронное облако азота становится общим для атомов азота и водорода, т.е. оно превращается в молекулярное электронное облако. А значит, возникает четвертая ковалентная связь. Процесс образования иона аммония можно представить схемой:

Заряд иона водорода становится общим (он делокализован, т.е. рассредоточен между всеми атомами), а двухэлектронное об­лако (неподеленная электронная пара), принадлежащее азоту, становится общим с водородом. В схемах изображение ячейки  часто опускается.

Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называется донором, а атом, принимающий ее (т.е. предоставляющий свободную орбиталь), называется акцептором.

Однако это не особый вид связи, а лишь иной механизм (способ) образования ковалентной связи. По свойствам четвертая N-H-связь в ионе аммония ничем не отличается от остальных связей,

Металлическая связь

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число электронов. Так, по одному электрону содержат 16 элементов, по два - 58, по три - 4 элемен­та и ни одного - только у Pd. Атомы элементов Ge, Sn и Pb имеют на внешнем уровне по 4 электрона, Sb и Bi - по 5, Ро - 6, но эти элементы не являются характерными металлами.

Элементы металлы образуют простые вещества - металлы. В обычных условиях это кристаллические вещества (кроме ртути). На рис. 7 представлена схема кристалличес­кой решетки натрия. Как видно, каждый атом натрия окружен восемью соседни­ми. На примере натрия рассмотрим при­роду химической связи в металлах.

У атома натрия, как и у других ме­таллов, имеется избыток валентных ор­биталей и недостаток электронов. Так, валентный электрон (3s 1) может зани­мать одну из девяти свободных орбита­лей - 3s (одна), Зр (три) и 3d (пять). При сближении атомов в результате образо-

вания кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла. Такой тип химичес­кой связи называется металлической связью.

Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем уровне имеют мало валентных электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. Химическая связь в металлических крис­таллах сильно делокализована, т.е. электроны, осуществляющие связь, обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему куску металла, в целом электронейтрального.

Металлическая связь характерна для металлов в твердом и жидком состоянии. Это свойство агрегатов атомов, расположен­ных в непосредственной близости друг к другу. Однако в парооб­разном состоянии атомы металлов, как и всех веществ, связаны между собой ковалентной связью. Пары металлов состоят из от­дельных молекул (одноатомных и двухатомных). Прочность связи в кристалле больше, чем в молекуле металла, а потому процесс образования металлического кристалла протекает с вы­делением энергии.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалент­ной, поскольку и в ее основе лежит обобществление валентных электронов. Однако электроны, которые осуществляют ковалент­ную связь, находятся вблизи соединенных атомов и прочно с ними связаны. Электроны же, осуществляющие металлическую связь, свободно перемещаются по всему кристаллу и принадлежат всем его атомам. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической - пластичны, т.е. они изменяют форму при ударе, прокатываются в тонкие листы и вытягиваются в проволоку.

Металлической связью объясняются физические свойства ме­таллов.

Водородная связь

Водородная связь - это своеобразная химическая связь. Она может быть межмолекулярной и внутримолекулярной.

Межмолекулярная водородная связь возникает между моле­кулами, в состав которых входят водород и сильно электроотри­цательный элемент - фтор, кислород, азот, реже хлор, сера. По­скольку в такой молекуле общая электронная пара сильно смещена от водорода к атому электроотрицательного элемента, а

положительный заряд водорода сконцентрирован в малом объе­ме, то протон взаимодействует с неподеленной электронной парой другого атома или иона, обобществляя ее. В результате образуется вторая, более слабая связь, получившая название водородной.

Ранее водородную связь сводили к электростатическому при­тяжению между протоном и другой полярной группой. Но более правильным следует считать, что в ее образование вносит вклад и донорно-акцепторное взаимодействие. Для этой связи характер­ны направленность в пространстве и насыщаемость.

Обычно водородную связь обозначают точками и этим указы­вают, что она намного слабее ковалентной связи (примерно в 15-20 раз). Тем не менее она ответственна за ассоциацию моле­кул. Например, образование димеров (в жидком состоянии они наиболее устойчивы) воды и уксусной кислоты можно предста­вить схемами:

Как видно из этих примеров, посредством водородной связи объединены две молекулы воды, а в случае уксусной кислоты - две молекулы кислоты с образованием циклической структуры.

Водородная связь оказывает влияние на свойства многих ве­ществ. Так, благодаря водородной связи фтороводород в обычных условиях существует в жидком состоянии (ниже 19,5 С) и содер­жит молекулы состава от H 2 F 2 до H 6 F 6 . Благодаря водородной связи образуется гидродифторид-ион HF 2 - :

f - + h-f®f - h-f ® hf - 2

который входит в состав солей - гидрофторидов (KHF 2 - гидродифторид калия, NH 4 HF 2 - гидродифторид аммония).

Наличием водородных связей объясняется более высокая температура кипения воды (100° С) по сравнению с водородными соединениями элементов подгруппы кислорода (H 2 S, H 2 Se, Н 2 Те). В случае воды надо затратить дополнительную энергию на разру­шение водородных связей.

Особенно распространены водородные связи в молекулах бел­ков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соеди­нений, а потому эти связи играют важную роль в химии процессов жизнедеятельности.

Идея об образовании химической связи с помощью пары электронов, принадлежащих обоим соединяющимся атомам, была высказана в 1916г американским физико-химиком Дж. Льюисом.

Ковалентная связь существует между атомами как в молекулах, так и в кристаллах. Она возникает как между одинаковыми атомами (например, в молекулах Н 2 , Cl 2 , О 2 , в кристалле алмаза), так и между разными атомами (например, в молекулах Н 2 О и NН 3 , в кристаллах SiC). Почти все связи в молекулах органических соединений являются ковалентными (С-С, С-Н, С-N, и др.).

Различают два механизма образования ковалентной связи:

1) обменный;

2) донорно-акцепторный.

Обменный механизм образования ковалентной связи заключается в том, что каждый из соединяющихся атомов предоставляет на образование общей электронной пары (связи) по одному неспаренному электрону. Электроны взаимодействующих атомов должны при этом иметь противоположные спины.

Рассмотрим для примера образование ковалентной связи в молекуле водорода . При сближении атомов водорода происходит проникновение их электронных облаков друг в друга, которое называется перекрыванием электронных облаков (рис. 3.2), электронная плотность между ядрами возрастает. Ядра притягиваются друг к другу. Вследствие этого снижается энергия системы. При очень сильном сближении атомов возрастает отталкивание ядер. Поэтому имеется оптимальное расстояние между ядрами (длина связи l), при котором система имеет минимальную энергию. При таком состоянии выделяется энергия, называемая энергией связи Е св.

Рис. 3.2. Схема перекрывания электронных облаков при образовании молекулы водорода

Схематично образование молекулы водорода из атомов можно представить следующим образом (точка означает электрон , черта - пару электронов):

Н + Н→Н: Н или Н + Н→Н - Н.

В общем виде для молекул АВ других веществ:

А + В = А: В.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи заключается в том, что одна частица - донор - представляет на образование связи электронную пару, а вторая - акцептор - свободную орбиталь:

А: +  В = А: В.

донор акцептор

Рассмотрим механизмы образования химических связей в молекуле аммиака и ионе аммония .

1. Образование

Атом азота имеет на внешнем энергетическом уровне два спаренных и три неспаренных электрона:

Атом водорода на s - подуровне имеет один неспаренный электрон.

В молекуле аммиака неспаренные 2р - электроны атома азота образуют три электронные пары с электронами 3-х атомов водорода:

В молекуле NH 3 образованы 3 ковалентных связи по обменному механизму.

2. Образование комплексного иона - иона аммония.

NH 3 + HCl = NH 4 Cl или NH 3 + H + = NH 4 +

У атома азота остается неподелённая пара электронов , т. е. два электрона с антипараллельными спинами на одной атомной орбитали. Атомная орбиталь иона водорода не содержит электронов (вакантная орбиталь). При сближении молекулы аммиака и иона водорода происходит взаимодействие неподеленной пары электронов атома азота и вакантной орбитали иона водорода. Неподеленная пара электронов становится общей для атомов азота и водорода, возникает химическая связь по донорно - акцепторному механизму. Атом азота молекулы аммиака является донором, а ион водорода - акцептором:

Следует отметить, что в ионе NH 4 + все четыре связи равноценны и неразличимы, следовательно, в ионе заряд делокализован (рассредоточен) по всему комплексу.

Рассмотренные примеры показывают, что способность атома образовывать ковалентные связи обусловливается не только одноэлектронными, но и 2-электронными облаками или наличием свободных орбиталей.

По донорно-акцепторному механизму образуются связи в комплексных соединениях: - ; 2+ ; 2- и т. д.

Ковалентная связь обладает следующими свойствами:

- насыщаемость;

- направленность;

- полярность и поляризуемость.

Ковалентная, ионная и металлическая – три основных типа химических связей.

Познакомимся подробнее с ковалентной химической связью . Рассмотрим механизм ее возникновения. В качестве примера возьмем образование молекулы водорода:

Сферически симметричное облако, образованное 1s-электроном, окружает ядро свободного атома водорода. Когда атомы сближаются до определенного расстояния, происходит частичное перекрывание их орбиталей (см. рис.), в результате чего появляется молекулярное двухэлектронное облако между центрами обоих ядер, которое обладает максимальной электронной плотностью в пространстве между ядрами. При увеличении же плотности отрицательного заряда происходит сильное возрастание сил притяжения между молекулярным облаком и ядрами.

Итак, мы видим, что ковалентная связь образуется путем перекрывания электронных облаков атомов, которое сопровождается выделением энергии. Если расстояние между ядрами у сблизившихся до касания атомов составляет 0,106 нм, тогда после перекрывания электронных облаков оно составит 0,074 нм. Чем больше перекрывание электронных орбиталей, тем прочнее химическая связь.

Ковалентной называется химическая связь, осуществляемая электронными парами . Соединения с ковалентной связью называют гомеополярными или атомными .

Существуют две разновидности ковалентной связи : полярная и неполярная .

При неполярной ковалентной связи образованное общей парой электронов электронное облако распределяется симметрично относительно ядер обоих атомов. В качестве примера могут выступать двухатомне молекулы, которые состоят из одного элемента: Cl 2 , N 2 , H 2 , F 2 , O 2 и другие, электронная пара в которых в принадлежит обоим атомам в одинаковой мере.

При полярной ковалентной связи электронное облако смещено к атому с большей относительной электроотрицательностью. Например молекулы летучих неорганических соединений таких как H 2 S, HCl, H 2 O и другие.

Образование молекулы HCl можно представить в следущем виде:

Т.к. относительная электроотрицательность атома хлора (2,83) больше, чем атома водорода (2,1), электронная пара смещается к атому хлора.

Помимо обменного механизма образования ковалентной связи – за счет перекрывания, также существует донорно-акцепторный механизм ее образования. Это механизм, при котором образование ковалентной связи происходит за счет двухэлектронного облака одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептора). Давайте рассмотрим пример механизма образования аммония NH 4 + .В молекуле аммиака у атома азота есть двухэлектронное облако:

Ион водорода имеет свободную 1s-орбиталь, обозначим это как .

В процессе образования иона аммония двухэлектронное облако азота становится общим для атомов азота и водорода, это значит оно преобразуется в молекулярное электронное облако. Следовательно, появляется четвертая ковалентная связь. Можно представить процесс образования аммония такой схемой:

Заряд иона водорода рассредоточен между всеми атомами, а двухэлектронное облако, которое принадлежит азоту, становится общим с водородом.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.