Ковалентний хімічний зв’язок

Речовин з іонним хімічним зв’язком небагато. Набагато більше речовин з ковалентним хімічним зв’язком, що легко пояснити. Адже світ органічних речовин, яких налічується більше 25 млн, побудований переважно за рахунок ковалентного зв’язку. Однак і в світі неорганічних (мінеральних) речовин ця хімічна зв’язок зустрічається досить часто. Зрештою навіть іонну зв’язок можна вважати крайнім випадком ковалентного полярної хімічного зв’язку. Отже, ковалентний зв’язок – це переважаюча, чільна хімічний зв’язок у світі хімічних речовин.

А як утворюється ця хімічна зв’язок? У разі іонного хімічного зв’язку атоми одного елемента віддають свої електрони, атоми інших – приймають їх, при цьому утворюються позитивні і негативні іони, які за рахунок електростатичних сил утворюють іонну хімічна сполука.

А як нейтральні атоми утримуються в одному речовині? Який механізм утворення ковалентного хімічного зв’язку? Розглянемо його на прикладі молекули водню Н2.

Атоми водню прагнуть бути схожими на атоми благородного газу гелію, зовнішній електронний шар якого містить два електрони. Якщо атом водню зустрінеться з атомом металу (наприклад, лужного або лужноземельні), то атом металу передасть атому водню електрони з зовнішнього електронного шару, і … виникне іонна хімічний зв’язок, утворюються гідриди.

Інша справа, якщо зустрічаються два однакових атома водню. У цьому випадку проблему завершення зовнішнього електронного шару ці атоми вирішуватимуть на паритетних засадах – просто-напросто об’єднають свої електрони, зроблять їх загальними, т. Е. Створять спільну електронну пару. При цьому електронні хмари або орбіталі (очевидно, ви не забули, що у водню це 1s-орбіталі) перекриються, і в просторі між ядрами двох атомів водню виникне деяка додаткова електронна щільність – негативний заряд, який стягує позитивні ядра взаємодіючих атомів.

Неважко помітити, що так само, як і в разі утворення ковалентного зв’язку між атомами одного елемента, хімічний зв’язок між атомами різних елементів здійснюється за рахунок утворення загальних електронних пар. Але все не так просто. Паритету між атомами в цьому випадку не буде, так як починає проявлятися особлива характеристика хімічних елементів, звана електронегативні (ЕО).

Так як різні елементи володіють різною ЕО, то загальна електронна пара виявляється зміщеною в бік більш електронегативного елемента. У результаті на атомі такого елемента утворюється частковий негативний заряд (його позначають δ-). Відповідно на атомі менш електронегативного елемента виникне такий же частковий, але вже позитивний заряд (його позначають δ +). Отже, по лінії ковалентного зв’язку виникне два полюси – негативний і позитивний. Тому таку ковалентний зв’язок називають полярною. Ковалентний зв’язок між атомами одного хімічного елемента називають неполярной, оскільки в цьому випадку зарядів-полюсів по лінії зв’язку не виникає.

Так як ковалентний хімічний зв’язок в лінійній молекулі хлороводню полярна, полярної буде і сама молекула. У ній є два протилежно заряджених полюса, тому такі молекули називають диполями. А ось молекула метану, незважаючи на полярність кожного із зв’язків С-Н, в цілому неполярна. Це пов’язано з тим, що молекула метану має тетраедричну будова і полярність всіх зв’язків взаємно компенсується.

Звідси випливає важливий висновок: полярність молекули залежить від полярності зв’язків і від геометричної будови.

У розглянутих вище прикладах утворення ковалентного зв’язку кожен з атомів надав у спільну електронну пару по одному електрону. Такий механізм утворення ковалентного зв’язку називають обмінним. Однак існує й інший механізм: один з атомів володіє вільної електронної парою (її називають неподіленої) і передає її в загальне користування з іншим атомом, у якого є вільна (порожня, вакантна) орбіталь. Перший атом називають донором, а другий – акцептором. Такий механізм утворення ковалентного зв’язку називають донорно-акцепторним.

Класифікувати ковалентний зв’язок можна:

1) за механізмом утворення – обмінний і донорно-акцепторні;

2) по полярності зв’язку – ковалентні неполярні і ковалентні полярні зв’язку;

3) по кратності – одинарні, подвійні і потрійні ковалентні зв’язки.

Так як результатом утворення ковалентних зв’язків є виникнення молекул, а такий зв’язок переважає в хімічному світі, то величезна кількість речовин мають молекулярну будову. Це майже всі органічні сполуки, всі гази, переважна більшість рідин і багато тверді речовини. Однак і гази, і рідини при певних умовах (високому тиску, низькій температурі) можна перевести в твердий кристалічний стан.

Для речовин з ковалентним зв’язком характерні два типи кристалічних решіток – молекулярні і атомні.

У вузлах молекулярних кристалічних граток розташовуються молекули, утворені за рахунок міцних ковалентних зв’язків. Між молекулами діють слабкі сили міжмолекулярної тяжіння (їх називають ван-дер-ваальсовими), а тому речовини з молекулярними кристалічними решітками неміцні, легкоплавкі, летючі. Молекулярні кристалічні решітки мають гази і рідини в твердому стані, кристалічний йод, сірка, білий фосфор, вуглекислий газ (рис. 9), більшість органічних сполук.

Інша аллотропная модифікація вуглецю – графіт – дещо суперечить твердженням про те, що речовини з атомною кристалічною решіткою володіють високою твердістю. Графіт м’який, так як має шарувату структуру (рис. 13). У кристалічній решітці графіту атоми вуглецю, що лежать в одній площині, міцно пов’язані в правильні шестикутники. Зв’язки між шарами неміцні, і тому графіт м’який. Але, як і алмаз, він тугоплавок. З графіту виготовляють електроди, тверді мастила, стрижні для олівців, деталі в ядерних реакторах.

Атомні кристалічні решітки мають не тільки прості, але і складні речовини, наприклад всі різновиди оксиду алюмінію (рис. 14): наждак, корунд, рубін, сапфір. Найбільш поширене в неживій природі з’єднання з атомної кристалічною решіткою – це оксид кремнію (IV). Майже чистим оксидом кремнію (IV) є мінерал кварц (рис. 15).

Посилання на основну публікацію