Ковалентная химическая связь

Ковалентная химическая связь
Альтернативным путем построения устойчивой конфигурации из восьми
(для водорода — двух) электронов является их обобществление, т.е.
предоставление в совместное пользование. В результате такого процесса
образуются общие электронные пары, которые играют роль «связующей
нити» между атомами, образующими химическую связь.

Химическая связь между атомами, возникающая путем
обобществления электронов с образованием общих электронных
пар, называется ковалентной.
Образование общей электронной пары может происходить двумя
способами.
При сближении двух атомов, имеющих неспаренные электроны,
происходит взаимное проникновение соответствующих электронных
орбиталей, их перекрывание. В месте перекрывания образуется так
называемая электронная плотность, т.е. область пространства, где
вероятность нахождения электрона значительно увеличивается. Область
перекрывания условно считают общей электронной парой двух атомов. Такой
механизм образования ковалентной связи называют обменным.
Обменный механизм, например, реализуется при образовании
химической связи в молекуле водорода Н2. Атомы водорода передают в
общее пользование друг другу свои единственные неспаренные электроны,
тем самым получая завершенный энергетический уровень из двух
электронов, подобный атому инертного газа гелия. Образующаяся
электронная пара в равной мере принадлежит обоим атомам:
Атомы хлора также содержат по одному неспаренному электрону. За
счет их спаривания и происходит образование химической связи, т.е. общей
электронной пары в молекуле хлора С12:
В обоих приведенных примерах ковалентной связью связаны атомы
одного и того же элемента. Общая электронная пара в равной мере
принадлежит обоим атомам.

Ковалентная связь, образующаяся между атомами одного и того
же элемента, называется неполярной.
Обобществлять электроны с образованием ковалентной связи могут
атомы разных элементов. В этом случае необходимо принимав ь во внимание
такое свойство химического элемента, как электроотрицательность.

Электроотрицательностыо называют свойство атомов элемента
оттягивать к себе общие электронные пары.
Важнейшие элементы-неметаллы можно расположить в следующий ряд
по усилению их электроотрицательности:
H, C, S, Br, N, Cl, O, F
Электроотрицательность растет
Рассмотрим образование ковалентной связи в молекуле аммиака. Атом
азота содержит на внешнем энергетическом уровне пять электронов в полном
соответствии с номером группы, из которых три электрона неспаренные
(чтобы определить число неспаренных электронов, нужно от заветной
восьмерки отнять число внешних электронов, в нашем случае: 8-5 = 3).
Химические связи в молекуле аммиака образуются за счет образования
трех электронных пар между тремя атомами водорода и одним атомом азота:
Атом азота значительно более электроотрицателен, чем водород,
поэтому в большей степени притягивает к себе общие электронные пары. В
результате такого смещения атом азота приобретает частичный
отрицательный заряд
, атомы водорода — частичный положительный
заряд .

Ковалентная химическая связь между атомами с различной
электроотрицательностью называется полярной.
Во всех приведенных выше примерах химическая связь осуществляется
за счет одной общей пары электронов. Однако атомы способны образовывать
также две или три общие электронные пары, например, в молекулах оксида
углерода(IV) или азота:
Число общих электронных пар определяет кратность ковалентной
связи, которая бывает одинарной, двойной, тройной. Так, в молекуле Н2 или
NН3 связи одинарные, в молекуле СО2 — две двойные связи, в молекуле N2 одна тройная связь.
Другой возможный механизм возникновения общей электронной пары
рассмотрим на классическом примере образования катиона аммония.
В молекуле аммиака каждый атом дополнил свою электронную
оболочку до конфигурации благородного газа: атом азота получил восемь
электронов, атомы водорода — по два электрона. При этом у атома азота
осталась неподеленная пара электронов, за счет которой он может образован,
четвертую химическую связь с катионом водорода, т.е. частицей, вообще
лишенной электронов. При этом механизм возникновения четвертой связи
14—Н иной. Атом азота, предоставивший для образования связи пару электронов, называют донором, а катион водорода, предложивший пустую
орбиталь, — акцептором. Получившаяся при этом частица несет
положительный заряд и называется катионом аммония:
Такой механизм образования ковалентной связи называют донорноакцепторным. Все четыре связи N—Н в катионе аммония абсолютно
равноценны, невозможно различить, какая из них образована по донорноакцепторному, а какая — по обменному механизму.
Вещества с ковалентным типом связи в твердом состоянии образуют
кристаллические решетки двух типов: атомные и молекулярные.
Кристаллические решетки, в узлах которых расположены атомы,
называют атомными. Вещества с атомной кристаллической
решеткой характеризуются большой прочностью и твердостью, высокой
температурой плавления, они нелетучи, без химического взаимодействия
практически не растворяются ни в каких растворителях. Примерами таких
веществ могут служить алмаз, кварц SiO2, оксид алюминия, карборунд SiС.
Кристаллические решетки, в узлах которых расположены молекулы
вещества, называют молекулярными. Внутримолекулярные ковалентные
связи достаточно прочны, но отдельные молекулы соединены между собой
довольно слабыми межмолекулярными силами. Полому молекулярная
решетка самая непрочная среди всех типов решеток. Такие вещества имеют
небольшую твердость, сравнительно низкие температуры плавления; они
летучи. Примерами соединений с молекулярной кристаллической решеткой
могу! служить вода, йод, углекислый газ, уксусная кислота, сахароза.
Все аллотропные модификации углерода, в том числе и наиболее
известные — алмаз и графит, имеют атомные кристаллические решетки (цв.
вклейка, рис. 6, 7).
Вопросы
1. Дайте определение ковалентной связи. Какие два механизма ее
образования вы знаете? Приведите примеры, напишите схемы.
а
2. Дайте определение ковалентной неполярной связи. Приведите примеры,
напишите схемы.
3. Дайте определение ковалентной полярной связи. Приведите примеры,
напишите схемы образования ковалентной связи по обменному и
донорно-акцепторному механизму.
4. Какие типы связей характерны для следующих веществ: Вr2, НВr, КВr?
Напишите схемы их образования.
5. Как различают ковалентные связи по кратности? Какие связи образуются
в следующих соединениях: SO2, Н2S, НСN? Напишите структурные
формулы этих веществ.
6. Не проводя расчетов, укажите, в каком из оксидов серы: SO2 и SO4 —
содержание серы максимально. Вывод подтвердите расчетами.
7. При сжигании 24 г углерода получено 33,6 л углекислого газа. Какова
массовая доля примесей в образце углерода?
8. Можно ли рассматривать ионную связь как ковалентную? Почему?