Ковалентний зв'язок co. Ковалентний зв'язок — полярний та неполярний, механізми освіти

Речовини молекулярної будови утворюються за допомогою особливого виду взаємозв'язку. Ковалентний зв'язок у молекулі, полярний та неполярний, також називається атомним. Ця назва походить від латинського "co" - "спільно" і "vales" - "має силу". При такому способі утворення з'єднань пара електронів ділиться між двома атомами.

Що таке ковалентна полярна і не полярний зв'язок? Якщо нове з'єднання утворюється таким чином, відбуваєтьсяузагальнення електронних пар.Зазвичай такі речовини мають молекулярну будову: Н 2 , 3 , HCl, HF, CH 4 .

Є й немолекулярні речовини, у яких атоми пов'язані в такий спосіб. Це звані атомні кристали: алмаз, діоксид кремнію, карбід кремнію. Вони кожна частка пов'язані з чотирма іншими, у результаті виходить дуже міцний кристал. Кристали з молекулярною структурою зазвичай не відрізняються високою міцністю.

Властивості такого способу утворення сполук:

• кратність;
• спрямованість;
• ступінь полярності;
• поляризованість;
• сполучення.

Кратність – це кількість поділених електронних пар. Їх може бути від однієї до трьох. У кисню до заповнення оболонки двох електронів не вистачає, тому вона буде подвійною. У азоту молекулі N 2 вона потрійна.

Поляризованість - можливість утворення ковалентного полярного зв'язку та неполярного. При цьому вона може бути більш менш полярна, ближче до іонної або навпаки - в цьому полягає властивість ступеня полярності.

Спрямованість означає, що атоми прагнуть з'єднатися таким чином, щоб між ними залишилася якомога більша електронна щільність. Про спрямованість є сенс говорити тоді, коли з'єднуються p або d-орбіталі. S-орбіталі сферично симетричні, їм усі напрями рівноцінні. У p-орбіталей неполярний або полярний ковалентний зв'язок спрямований уздовж їхньої осі, так що дві «вісімки» перекриваються вершинами. Це σ-зв'язок. Існують і менш міцні π-зв'язки. У разі p-орбіталей "вісімки" перекриваються бічними сторонами поза осі молекули. У подвійному чи потрійному випадку p-орбіталі утворюють один σ-зв'язок, а інші будуть типу π.

Поєднання - це чергування простих і кратних, що робить молекулу стабільнішою. Така властивість характерна для складних органічних сполук.

Види та способи утворення хімічних зв'язків

Полярність

Важливо!Як визначити, речовини з неполярним ковалентним чи полярним зв'язком перед нами? Це дуже просто: перша завжди виникає між однаковими атомами, а друга - між різними, що мають неоднакову електронегативність.

Приклади ковалентного неполярного зв'язку - прості речовини:

• водень Н 2;
• азот N 2;
• кисень Про 2;
• хлор Cl 2 .

Схема утворення ковалентного неполярного зв'язку показує, що за допомогою поєднання електронної пари атоми прагнуть доповнити зовнішню оболонку до 8 або 2 електронів. Наприклад, фтору не вистачає одного електрона до восьмиелектронної оболонки. Після утворення поділеної електронної пари вона заповниться. Поширена формула речовини з ковалентним неполярним зв'язком - двоатомна молекула.

Полярно зазвичай зв'язуються тільки:

• Н 2 Про;
• CH 4 .

Але бувають і винятки, такі як AlCl 3 . Алюміній має властивість амфотерності, тобто в одних з'єднаннях він поводиться як метал, а в інших - як неметал. Різниця в електронегативності в цій сполукі невелика, тому алюміній з'єднується з хлором саме так, а не за іонним типом.

У цьому випадку молекулу утворюють різні елементи, але різниця в електронегативності не така велика, щоб електрон повністю перейшов від одного атома до іншого, як у речовинах іонної будови.

Схеми утворення ковалентної структури цього показують, що електронна щільність зміщується до більш електронегативного атома, тобто поділена електронна пара знаходиться до одного з них ближче, ніж до другого. Частини молекули набувають заряду, який позначається грецькою літероюдельта. У хлороводні, наприклад, хлор стає заряджений більш негативно, а водень - більш позитивно. Заряд буде частковим, а не цілим, як у іонів.

Важливо!Не слід плутати полярність зв'язку та полярність молекули. У метані СН4, наприклад, атоми пов'язані полярно, а сама молекула неполярна.

Корисне відео: полярний та неполярний ковалентний зв'язок

Механізм освіти

Утворення нових речовин може проходити обмінним або донорно-акцепторним механізмом.У цьому об'єднуються атомні орбіталі. Виникає одна чи кілька молекулярних орбіталей. Вони відрізняються тим, що охоплюють обидва атоми. Як і на атомній, на ній може бути не більше двох електронів, причому їх спини теж повинні бути різноспрямованими.

Як визначити, який механізм задіяний? Це можна зробити за кількістю електронів на зовнішніх орбіталях.

Обмінний

І тут електронна пара на молекулярної орбіталі утворюється із двох неспарених електронів, кожен із яких належить своєму атому. Кожен із них прагне заповнити свою зовнішню електронну оболонку, зробити її стійкою восьми- або двоелектронною. Так зазвичай утворюються речовини із неполярною структурою.

Наприклад розглянемо соляну кислоту HCl. У водню на зовнішньому рівніодин електрон. У хлору – сім. Намалювавши схеми освіти ковалентної структури йому, побачимо, що з заповнення зовнішньої оболонки кожному їх бракує по одному електрону. Розподіливши між собою електронну пару, вони зможуть завершити зовнішню оболонку. За таким же принципом утворюються двоатомні молекули простих речовин, наприклад, водню, кисню, хлору, азоту та інших неметалів.

Механізм освіти

Донорно-акцепторний

У другому випадку обидва електрони є неподіленою парою і належать одному атому (донору). Інший (акцептор) має вільну орбіталь.

Формула речовини з ковалентним полярним зв'язком, утвореним таким чином, наприклад, іон амонію NH 4 +. Він утворюється з іону водню, в якому є вільна орбіталь, та аміаку NH3, що містить один «зайвий» електрон. Електронна пара з аміаку узагальнюється.

Гібридизація

Коли електронна пара узагальнюється між орбіталями різної форми, наприклад, s і р, утворюється гібридна електронна хмара sp. Такі орбіталі сильніше перекриваються, тому зв'язуються міцніше.

Так влаштовані молекули метану та аміаку. У молекулі метану СН 4 повинні були утворитися три зв'язки по p-орбітал і один по s. Натомість орбіталь гібридизується з трьома р-орбіталями, виходять три гібридні sp3-орбіталі у формі витягнутих крапель. Це тому, що електрони 2s і 2p мають близьку енергію, вони взаємодіють друг з одним при з'єднанні з іншим атомом. Тоді можна утворити гібридну орбіталь. молекула, що вийшла, має форму тетраедра, водень розташовується в його вершинах.

Інші приклади речовин із гібридизацією:

• ацетилен;
• бензол;
• алмаз;
• вода.

Для вуглецю характерна spЗ-гібридизація, тому часто зустрічається в органічних сполуках.

Корисне відео: ковалентний полярний зв'язок

Висновок

Ковалентний зв'язок, полярний чи неполярний, характерний для речовин молекулярної будови. Неполярно пов'язані атоми одного елемента, а полярно - різних, але з відмінною електронегативністю. Зазвичай у такий спосіб з'єднуються елементи-неметали, але бувають і винятки, такі як алюміній.

Ковалентний хімічний зв'язоквиникає між атомами з близькими чи рівними значеннями електронегативностей. Припустимо, що хлор і водень прагнуть відібрати електрони і прийняти структуру найближчого благородного газу, отже, жоден з них не віддасть електрон іншому. Яким же способом вони таки з'єднуються? Все просто - вони поділяться один з одним, утворюється спільна пара.

Тепер розглянемо відмінні рисиковалентного зв'язку.

На відміну від іонних сполук, молекули ковалентних сполук утримуються разом за рахунок «міжмолекулярних сил», які набагато слабші за хімічні зв'язки. У зв'язку з цим, ковалентного зв'язку характерна насичуваність- Освіта обмеженого числа зв'язків.

Відомо, що атомні орбіталі орієнтовані в просторі певним чином, тому при утворенні зв'язку перекриття електронних хмар відбувається в певному напрямку. Тобто. реалізується така властивість ковалентного зв'язку як спрямованість.

Якщо ковалентна зв'язок у молекулі утворена однаковими атомами чи атомами з рівною електронегативністю, такий зв'язок немає полярності, тобто електронна щільність розподіляється симетрично. Називається вона неполярним ковалентним зв'язком ( H 2 , Cl 2 , O 2 ). Зв'язки можуть бути як одинарними, і подвійними, потрійними.

Якщо електронегативності атомів розрізняються, то при їх поєднанні електронна щільність розподіляється між атомами нерівномірно і утворюється ковалентний полярний зв'язок(HCl, H 2 O, CO), кратність якої також може бути різною. При утворенні цього типу зв'язку, більш електронегативний атом набуває часткового негативного заряду, а атом з меншою електронегативністю – частковий позитивний заряд (δ- і δ+). Утворюється електричний диполь, у якому заряди, протилежні за знаком, розташовані певній відстані друг від друга. Як міру полярності зв'язку використовують дипольний момент:

Полярність з'єднання тим більше виражена, що більше дипольний момент. Молекули матимуть неполярний характер, якщо дипольний момент дорівнює нулю.

У зв'язку з перерахованими особливостями, можна зробити висновок, що ковалентні з'єднаннялетючі, мають низькі температури плавлення та кипіння. Електричний струмне може проходити через ці з'єднання, отже вони погані провідники і хороші ізолятори. При підведенні тепла, багато з'єднань з ковалентним зв'язком, спалахують. Здебільшого це вуглеводні, і навіть оксиди, сульфіди, галогеніди неметалів і перехідних металів.

Визначення

Ковалентним зв'язком називається хімічна зв'язок, що утворюється рахунок узагальнення атомами своїх валентних електронів. Обов'язковою умовоюУтворення ковалентного зв'язку є перекриття атомних орбіталей (АТ), на яких розташовані валентні електрони. У найпростішому випадку перекриття двох АТ призводить до утворення двох молекулярних орбіталей (МО): зв'язуючої МО і антизв'язуючої (розпушує) МО. Узагальнені електрони розташовуються на нижчій за енергією зв'язуючої МО:

Освіта зв'язку

Ковалентний зв'язок (атомний зв'язок, гомеополярний зв'язок) – зв'язок між двома атомами за рахунок усуспільнення (electron sharing) двох електронів – по одному від кожного атома:

A. + В. -> А: В

Тому гомеополярний зв'язок має спрямований характер. Пара електронів, що здійснює зв'язок, належить одночасно обом зв'язуваним атомам, наприклад:

Види ковалентного зв'язку

Існують три види ковалентного хімічного зв'язку, що відрізняються механізмом її утворення:

1. Простий ковалентний зв'язок. Для її утворення кожен із атомів надає по одному неспареному електрону. При утворенні простого ковалентного зв'язку формальні заряди атомів залишаються незмінними. Якщо атоми, що утворюють простий ковалентний зв'язок однакові, то справжні заряди атомів у молекулі також однакові, оскільки атоми, що утворюються зв'язок однаково володіють узагальненою електронною парою, такий зв'язок називається неполярним ковалентним зв'язком. Якщо атоми різні, тоді ступінь володіння узагальненою парою електронів визначається різницею в електронегативності атомів, атом з більшою електронегативністю більшою мірою володіє парою електронів зв'язку, і тому його справжній заряд має негативний знак, атом з меншою електронегативністю набуває відповідно такий же за величиною заряд, але із позитивним знаком.

Сигма (σ)-, пі (π)-зв'язку - наближений опис видів ковалентних зв'язків у молекулах органічних сполук, σ-зв'язок характеризується тим, що щільність електронної хмари максимальна вздовж осі, що з'єднує ядра атомів. При утворенні π-зв'язку здійснюється так зване бічне перекриття електронних хмар, і щільність електронної хмари максимальна над і під площиною зв'язку. Наприклад візьмемо етилен, ацетилен і бензол.

У молекулі етилену С 2 Н 4 є подвійний зв'язок СН 2 = СН 2 його електронна формула: Н:С::С:Н. Ядра всіх атомів етилену розташовані в одній площині. Три електронні хмари кожного атома вуглецю утворюють три ковалентні зв'язки з іншими атомами в одній площині (з кутами між ними приблизно 120 °). Хмара четвертого валентного електрона атома вуглецю знаходиться над і під площиною молекули. Такі електронні хмари обох атомів вуглецю, частково перекриваючись вище і нижче за площину молекули, утворюють другий зв'язок між атомами вуглецю. Першу, міцнішу ковалентну зв'язок між атомами вуглецю називають σ-зв'язком; другий, менш міцний ковалентний зв'язок називають π-зв'язком.

У лінійній молекулі ацетилену

Н-С≡С-Н (Н: С::: С: Н)

є σ-зв'язки між атомами вуглецю і водню, одна σ-зв'язок між двома атомами вуглецю і дві π-зв'язку між цими ж атомами вуглецю. Два π-зв'язку розташовані над сферою дії σ-зв'язку у двох взаємно перпендикулярних площинах.

Всі шість атомів вуглецю циклічної молекули бензолу 6 H 6 лежать в одній площині. Між атомами вуглецю в площині кільця діють зв'язку; такі ж зв'язки є у кожного атома вуглецю з атомами водню. На здійснення цих зв'язків атоми вуглецю витрачають по три електрони. Хмари четвертих валентних електронів атомів вуглецю, що мають форму вісімок, розташовані перпендикулярно площині молекули бензолу. Кожна така хмара перекривається однаково з електронними хмарами сусідніх атомів вуглецю. У молекулі бензолу утворюються не три окремі π-зв'язку, а єдина π-електронна система із шести електронів, загальна для всіх атомів вуглецю. Зв'язки між атомами вуглецю у молекулі бензолу абсолютно однакові.

Ковалентний зв'язок утворюється в результаті усуспільнення електронів (з утворенням загальних електронних пар), що відбувається під час перекриття електронних хмар. У освіті ковалентного зв'язку беруть участь електронні хмари двох атомів. Розрізняють два основні різновиди ковалентного зв'язку:

• Ковалентний неполярний зв'язок утворюється між атомами неметалу одного і того ж хімічного елемента. Такий зв'язок мають прості речовини, наприклад, Про 2; N 2; C 12 .
• Ковалентний полярний зв'язок утворюється між атомами різних неметалів.

Див. також

Література

• «Хімічний енциклопедичний словник», М., « Радянська енциклопедія», 1983, с.264.

Wikimedia Foundation. 2010 .

Ковалентний зв'язок(від латинського «зі» разом і «vales» має силу) здійснюється за рахунок електронної пари, що належить обом атомам. Утворюється між атомами неметалів.

Електронегативність неметалів досить велика, так що при хімічній взаємодії двох атомів неметалів повне перенесення електронів від одного до іншого (як у випадку) неможливе. І тут для виконання необхідне об'єднання електронів.

Як приклад обговоримо взаємодію атомів водню та хлору:

H 1s 1 - один електрон

Cl 1s 2 2s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5 - сім електронів на зовнішньому рівні

Кожному з двох атомів бракує одного електрона для того, щоб мати завершену зовнішню електронну оболонку. І кожен із атомів виділяє „у спільне користування” по одному електрону. Тим самим правило октету виявляється виконаним. Найкраще зображати це за допомогою формул Льюїса:

Освіта ковалентного зв'язку

Узагальнені електрони тепер належать обом атомам. Атом водню має два електрони (свій власний та узагальнений електрон атома хлору), а атом хлору – вісім електронів (свої плюс узагальнений електрон атома водню). Ці два узагальнені електрони утворюють ковалентний зв'язок між атомами водню і хлору. Частка, що утворилася при зв'язуванні двох атомів, називається молекулою.

Неполярний ковалентний зв'язок

Ковалентний зв'язок може утворитися і між двома однаковимиатомів. Наприклад:

Ця схема пояснює, чому водень та хлор існують у вигляді двоатомних молекул. Завдяки парування та узагальнення двох електронів вдається виконати правило октету для обох атомів.

Крім одинарних зв'язків може утворюватися подвійний або потрійний ковалентний зв'язок, як, наприклад, молекулах кисню Про 2 або азоту N 2 . Атоми азоту мають по п'ять валентних електронів, отже, для завершення оболонки потрібно ще три електрони. Це досягається усуспільненням трьох пар електронів, як показано нижче:

Ковалентні сполуки - зазвичай гази, рідини або порівняно низькоплавкі тверді речовини. Одним із рідкісних винятків є алмаз, який плавиться вище 3500 °С. Це пояснюється будовою алмазу, який є суцільними гратами ковалентно пов'язаних атомів вуглецю, а не сукупність окремих молекул. Фактично будь-який кристал алмазу, незалежно від його розміру, є однією величезною молекулою.

Ковалентний зв'язок виникає при об'єднанні електронів двох атомів неметалів. Виникла у своїй структура називається молекулою.

Полярний ковалентний зв'язок

У більшості випадків два ковалентно пов'язані атоми мають різнуелектронегативність та узагальнені електрони не належать двом атомам рівною мірою. Більшість часу вони знаходяться ближче до одного атома, ніж до іншого. У молекулі хлороводню, наприклад, електрони, що утворюють ковалентний зв'язок, розташовуються ближче до атома хлору, оскільки його електронегативність вище, ніж у водню. Однак різниця в здатності притягувати електрони не настільки велика, щоб відбулося повне перенесення електрона з атома водню на атом хлору. Тому зв'язок між атомами водню та хлору можна розглядати як щось середнє між іонним зв'язком (повне перенесення електрона) та неполярним ковалентним зв'язком (симетричне розташування пари електронів між двома атомами). Частковий заряд на атомах позначається грецькою буквою δ. Такий зв'язок називається полярної ковалентної зв'язком, а про молекулу хлороводню кажуть, що вона полярна, тобто має позитивно заряджений кінець (атом водню) та негативно заряджений кінець (атом хлору).

У таблиці нижче перераховані основні типи зв'язків та приклади речовин:

Обмінний та донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку

1) Обмінний механізм. Кожен атом дає по одному неспареним електроном у загальну електронну пару.

2) Донорно-акцепторний механізм. Один атом (донор) надає електронну пару, а інший атом (акцептор) надає цій парі вільну орбіталь.

Єдиної теорії хімічного зв'язку не існує, умовно хімічний зв'язок ділять на ковалентний (універсальний вид зв'язку), іонний (приватний випадок ковалентного зв'язку), металевий і водневий.

Ковалентний зв'язок

Утворення ковалентного зв'язку можливе за трьома механізмами: обмінним, донорно-акцепторним і дативним (Льюїса).

Згідно обмінному механізмуосвіта ковалентного зв'язку відбувається за рахунок усуспільнення загальних електронних пар. У цьому кожен атом прагне придбати оболонку інертного газу, тобто. отримати завершений зовнішній енергетичний рівень. Утворення хімічного зв'язку обмінного типу зображують з використанням формул Льюїса, в яких кожен валентний електрон атома зображують точками (рис. 1).

Мал. 1 Утворення ковалентного зв'язку в молекулі HCl за обмінним механізмом

З розвитком теорії будови атома та квантової механіки утворення ковалентного зв'язку уявляють як перекриття електронних орбіталей (рис. 2).

Мал. 2. Утворення ковалентного зв'язку за рахунок перекривання електронних хмар

Чим більше перекриття атомних орбіталей, тим міцніший зв'язок, менше довжиназв'язку та більше її енергія. Ковалентна зв'язок може утворюватися з допомогою перекриття різних орбіталей. Внаслідок перекривання s-s, s-p орбіталей, а також d-d, p-p, d-p орбіталів бічними лопатями відбувається утворення – зв'язку. Перпендикулярно до лінії, що зв'язує ядра 2-х атомів утворюється – зв'язок. Одна - і одна - зв'язок здатні утворювати кратний (подвійний) ковалентний зв'язок, характерний для органічних речовинкласу алкенів, алкадієнів та ін. Один – і два – зв'язки утворюють кратний (потрійний) ковалентний зв'язок, характерний для органічних речовин класу алкінів (ацетиленів).

Утворення ковалентного зв'язку з донорно-акцепторний механізмрозглянемо з прикладу катіона амонію:

NH 3 + H + = NH 4 +

7 N 1s 2 2s 2 2p 3

Атом азоту має вільну неподілену пару електронів (електрони не беруть участь у освіті хімічних зв'язків усередині молекули), а катіон водню вільну орбіталь, тому є донором і акцептором електронів, відповідно.

Дативний механізм утворення ковалентного зв'язку розглянемо з прикладу молекули хлору.

17 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Атом хлору має вільну неподілену пару електронів і вакантні орбіталі, отже, може виявляти властивості і донора і акцептора. Тому при утворенні молекули хлору один атом хлору виступає в ролі донора, а інший – акцептора.

Головними характеристиками ковалентного зв'язкує: насичуваність (насичені зв'язки утворюються тоді, коли атом приєднує до себе стільки електронів, скільки йому дозволяють його валентні можливості; ненасичені зв'язки утворюються, коли число приєднаних електронів менше від валентних можливостей атома); спрямованість (ця величина пов'язана з геометрією молекули та поняттям «валентного кута» — кута між зв'язками).

Іонний зв'язок

З'єднань з чистим іонним зв'язком немає, хоча під цим розуміють такий хімічно пов'язаний стан атомів, у якому стійке електронне оточення атома створюється за повного переходу загальної електронної щільності до атома більш негативного елемента. Іонний зв'язок можливий тільки між атомами електронегативних та електропозитивних елементів, що перебувають у стані різноіменно заряджених іонів – катіонів та аніонів.

ВИЗНАЧЕННЯ

Іономназивають електрично заряджені частинки, що утворюються шляхом відриву чи приєднання електрона до атома.

При передачі електрона атоми металів і неметалів прагнуть сформувати довкола свого ядра стійку конфігурацію електронної оболонки. Атом неметалу створює навколо свого ядра оболонку наступного інертного газу, а атом металу – попереднього інертного газу (рис. 3).

Мал. 3. Утворення іонного зв'язку з прикладу молекули хлориду натрію

Молекули, в яких у чистому вигляді існує іонний зв'язок, зустрічаються в пароподібному стані речовини. Іонний зв'язок дуже міцний, у зв'язку з цим речовини з цим зв'язком мають високу температуру плавлення. На відміну від ковалентної для іонного зв'язку не характерні спрямованість і насичуваність, оскільки електричне поле, яке створюється іонами, діє однаково на всі іони за рахунок сферичної симетрії.

Металевим зв'язком

Металевий зв'язокреалізується лише у металах – це взаємодія, що утримує атоми металів у єдиній решітці. У освіті зв'язку беруть участь лише валентні електрони атомів металу, що належать до всього його обсягу. У металах від атомів постійно відриваються електрони, що переміщуються по всій масі металу. Атоми металу, позбавлені електронів, перетворюються на позитивно заряджені іони, які прагнуть прийняти до себе електрони, що рухаються. Цей безперервний процес формує всередині металу так званий «електронний газ», що міцно пов'язує між собою всі атоми металу (рис. 4).

Металевий зв'язок міцний, тому для металів характерна висока температура плавлення, а наявність «електронного газу» надають металам ковкості та пластичності.

Водневий зв'язок

Водневий зв'язок – це специфічне міжмолекулярне взаємодія, т.к. її виникнення та міцність залежать від хімічної природиречовини. Вона утворюється між молекулами, в яких атом водню пов'язаний з атомом, що має високу електронегативність (O, N, S). Виникнення водневого зв'язку залежить від двох причин, по-перше, атом водню, пов'язаний з електронегативним атомом не має електронів і може легко впроваджуватися в електронні хмари інших атомів, а, по-друге, маючи валентну s-орбіталлю, атом водню здатний приймати неподілену пару електронів електронегативного атома та утворювати з ним зв'язок за донорно-акцепторним механізмом.