ковалентна химична връзкавъзниква между атоми с близки или равни стойности на електроотрицателност. Да предположим, че хлорът и водородът са склонни да вземат електрони и да приемат структурата на най-близкия благороден газ, тогава нито един от тях няма да предаде електрон на другия. Как са свързани все пак? Просто е - те ще споделят помежду си, образува се обща електронна двойка.

Сега разгледайте отличителните черти на ковалентната връзка.

За разлика от йонните съединения, молекулите на ковалентните съединения се държат заедно от "междумолекулни сили", които са много по-слаби от химичните връзки. В това отношение ковалентната връзка е характерна наситеност– образуването на ограничен брой облигации.

Известно е, че атомните орбитали са ориентирани в пространството по определен начин, следователно, когато се образува връзка, припокриването на електронни облаци се извършва в определена посока. Тези. такова свойство на ковалентна връзка се реализира като ориентация.

Ако ковалентна връзка в молекула се образува от идентични атоми или атоми с еднаква електроотрицателност, тогава такава връзка няма полярност, т.е. електронната плътност е разпределена симетрично. Нарича се неполярна ковалентна връзка ( H2, Cl2, O2 ). Облигациите могат да бъдат единични, двойни или тройни.

Ако електроотрицателността на атомите се различава, тогава когато те се комбинират, електронната плътност се разпределя неравномерно между атомите и формите ковалентна полярна връзка(HCl, H 2 O, CO), чиято множественост също може да бъде различна. Когато се образува този тип връзка, по-електроотрицателен атом придобива частичен отрицателен заряд, а атом с по-ниска електроотрицателност придобива частичен положителен заряд (δ- и δ+). Образува се електрически дипол, в който на известно разстояние един от друг са разположени заряди с противоположен знак. Диполният момент се използва като мярка за полярността на връзката:

Полярността на съединението е толкова по-изразена, колкото по-голям е диполният момент. Молекулите ще бъдат неполярни, ако диполният момент е нула.

Във връзка с горните характеристики може да се заключи, че ковалентните съединения са летливи и имат ниски точки на топене и кипене. Електрическият ток не може да премине през тези връзки, следователно те са лоши проводници и добри изолатори. Когато се приложи топлина, много ковалентно свързани съединения се запалват. В по-голямата си част това са въглеводороди, както и оксиди, сулфиди, халогениди на неметали и преходни метали.

Категории ,

Няма единна теория за химическата връзка, условно химическата връзка се разделя на ковалентна (универсален тип връзка), йонна (специален случай на ковалентна връзка), метална и водородна.

ковалентна връзка

Образуването на ковалентна връзка е възможно по три механизма: обменен, донорно-акцепторен и дателен (Луис).

Според обменен механизъмобразуването на ковалентна връзка възниква поради социализацията на общите електронни двойки. В този случай всеки атом има тенденция да придобие обвивка от инертен газ, т.е. вземете завършеното външно енергийно ниво. Образуването на химическа връзка от обменен тип е изобразено с помощта на формули на Люис, в които всеки валентен електрон на атом е представен с точки (фиг. 1).

Ориз. 1 Образуване на ковалентна връзка в молекулата на HCl по обменния механизъм

С развитието на теорията за структурата на атома и квантовата механика, образуването на ковалентна връзка се представя като припокриване на електронни орбитали (фиг. 2).

Ориз. 2. Образуване на ковалентна връзка поради припокриване на електронни облаци

Колкото по-голямо е припокриването на атомните орбитали, толкова по-силна е връзката, толкова по-къса е дължината на връзката и толкова по-голяма е нейната енергия. Ковалентна връзка може да се образува чрез припокриване на различни орбитали. В резултат на припокриването на s-s, s-p орбитали, както и d-d, p-p, d-p орбитали от страничните лобове се образува връзка. Перпендикулярно на линията, свързваща ядрата на 2 атома, се образува връзка. Едно - и едно - връзките могат да образуват множествена (двойна) ковалентна връзка, характерна за органични вещества от класа на алкени, алкадиени и др. Едно - и две - връзки образуват множествена (тройна) ковалентна връзка, характерна за органичните вещества от класа на алкините (ацетилени).

Образуването на ковалентна връзка донорно-акцепторен механизъмразгледайте примера на амониевия катион:

NH3 + H+ = NH4+

7 N 1s 2 2s 2 2p 3

Азотният атом има свободна несподелена електронна двойка (електрони, които не участват в образуването на химични връзки в молекулата), а водородният катион има свободна орбитала, така че те са съответно донор и акцептор на електрони.

Нека разгледаме дативния механизъм на образуване на ковалентна връзка, като използваме примера на хлорна молекула.

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

Атомът на хлора има както свободна несподелена двойка електрони, така и свободни орбитали, следователно може да проявява свойства както на донор, така и на акцептор. Следователно, когато се образува хлорна молекула, единият хлорен атом действа като донор, а другият като акцептор.

Основен характеристики на ковалентната връзкаса: насищане (наситени връзки се образуват, когато един атом прикрепи към себе си толкова електрони, колкото му позволяват валентните възможности; ненаситени връзки се образуват, когато броят на прикрепените електрони е по-малък от валентните възможности на атома); насоченост (тази стойност е свързана с геометрията на молекулата и понятието "валентен ъгъл" - ъгълът между връзките).

Йонна връзка

Няма съединения с чиста йонна връзка, въпреки че това се разбира като такова химично свързано състояние на атоми, при което се създава стабилна електронна среда на атома с пълния преход на общата електронна плътност към атом на по-електроотрицателен елемент . Йонна връзка е възможна само между атоми на електроотрицателни и електроположителни елементи, които са в състояние на противоположно заредени йони - катиони и аниони.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Йоннаречени електрически заредени частици, образувани чрез отделяне или прикрепване на електрон към атом.

Когато пренасят електрон, атомите на металите и неметалите са склонни да образуват стабилна конфигурация на електронната обвивка около ядрото си. Неметален атом създава обвивка от следващия инертен газ около ядрото си, а метален атом създава обвивка от предишния инертен газ (фиг. 3).

Ориз. 3. Образуване на йонна връзка на примера на молекула натриев хлорид

Молекулите, в които съществува йонна връзка в нейната чиста форма, се намират в парообразно състояние на дадено вещество. Йонната връзка е много силна, във връзка с това веществата с тази връзка имат висока точка на топене. За разлика от ковалентните връзки, йонните връзки не се характеризират с насоченост и наситеност, тъй като електрическото поле, създадено от йони, действа еднакво върху всички йони поради сферична симетрия.

метална връзка

Метална връзка се осъществява само в металите - това е взаимодействие, което държи металните атоми в една решетка. В образуването на връзката участват само валентните електрони на металните атоми, които принадлежат към целия му обем. В металите електроните непрекъснато се отделят от атомите, които се движат в цялата маса на метала. Металните атоми, лишени от електрони, се превръщат в положително заредени йони, които се стремят да вземат движещи се електрони към тях. Този непрекъснат процес образува така наречения „електронен газ“ вътре в метала, който здраво свързва всички метални атоми заедно (фиг. 4).

Металната връзка е силна, следователно металите се характеризират с висока точка на топене, а наличието на "електронен газ" придава на металите ковкост и пластичност.

водородна връзка

Водородната връзка е специфично междумолекулно взаимодействие, т.к неговата поява и сила зависят от химическата природа на веществото. Образува се между молекули, в които водороден атом е свързан с атом с висока електроотрицателност (O, N, S). Възникването на водородна връзка зависи от две причини, първо, водородният атом, свързан с електроотрицателен атом, няма електрони и може лесно да бъде въведен в електронните облаци на други атоми, и второ, имайки валентна s-орбитала, водородът атомът е в състояние да приеме несподелена двойка електрони на електроотрицателен атом и да образува връзка с него чрез донорно-акцепторния механизъм.

Има четири основни типа химични връзки:

1. Ковалентна връзкаизвършвани от споделени електронни двойки.Образува се в резултат от припокриващи се електронни облаци (орбитали) на неметални атоми.Колкото по-голямо е припокриването на електронните облаци, толкова по-силна е химическата връзка. Ковалентната връзка може да бъде полярна или неполярна. ковалентен неполяренВръзкавъзниква между атоми от един и същи вид, които имат еднаква електроотрицателност. (Електроотрицателността е свойството на атомите да привличат електрони към себе си.) Например образуването на водородна молекула може да бъде показано на диаграмата:

з . + . h=h( : ) H H 2

или H . + . H=H-H

По същия начин се образуват молекули O 2, Cl 2, N 2, F 2 и т.н.

Неполярната ковалентна връзка е симетрична. Електронен облак, образуван от обща (споделена) електронна двойка, принадлежи еднакво на два атома.

полярен ковалентенВръзкавъзниква между атоми, чиято електроотрицателност се различава, но само малко. В този случай общата електронна двойка се измества към по-електроотрицателен елемент, например, когато се образува молекула хлороводород, електронният облак на връзката се измества към хлорния атом. Поради това изместване хлорният атом придобива частичен отрицателен заряд, а водородният атом придобива частичен положителен заряд и получената молекула е полярна.

H + Cl = H Cl H → Cl HCl

Молекулите HBr, HI, HF, H 2 O, CH 4 и др. се образуват по подобен начин.

ковалентни връзкиима единичен(извършва се от една обща електронна двойка), двойно(осъществено от две общи електронни двойки), тройна(осъществява се от три общи електронни двойки). Например етанът има всички единични връзки, етиленът има двойна връзка, а ацетиленът има тройна връзка.

Етан: CH 3 -CH 3 Етилен: CH 2 \u003d CH 2 Ацетилен: CH ≡ CH

2. Йонна връзкасреща се в съединения, образувани от атоми на елементи, които се различават значително по електроотрицателност, т.е. с рязко противоположни свойства (метални и неметални атоми). Йоните са заредени частици, в които атомите се превръщат в резултат на отката или прикрепването на електрони.

Йонна връзка се образува поради електростатичното привличане на противоположно заредени йони.Например, натриевият атом, отдавайки своя електрон, се превръща в положително зареден йон, а хлорният атом, приемайки този електрон, се превръща в отрицателно зареден йон. Поради електростатичното привличане между натриеви и хлорни йони възниква йонна връзка:

Na + Cl Na + + Cl – Na + Cl –

Молекулите на натриевия хлорид съществуват само в състояние на пара. В твърдо (кристално) състояние йонните съединения се състоят от правилно подредени положителни и отрицателни йони. В този случай няма молекули.

Йонната връзка може да се разглежда като краен случай на ковалентна връзка.

3. Метална връзкасъществува в метали и сплави. Осъществява се поради привличането между металните йони и социализираните електрони (това са валентни електрони, които са напуснали своите орбити и се движат през цялото парче метал между йони - "електронен газ").

4. Водородна връзка- това е вид връзка, която възниква между водородния атом на една молекула, която има частичен положителен заряд, и електроотрицателния атом на друга или същата молекула. Водородната връзка може да бъде междумолекулна и вътрешномолекулна. HF…HF…HF Обозначава се с точки. По-слаб от ковалентния.

Тази статия разказва какво представлява ковалентната неполярна връзка. Описани са неговите свойства, видовете атоми, които го образуват. Показано е мястото на ковалентната връзка сред другите видове атомни съединения.

Физика или химия?

В обществото има такъв феномен: една част от хомогенна група смята другата за по-малко интелигентна, по-тромава. Например, британците се смеят на ирландците, музикантите, които свирят на струни - на виолончелистите, жителите на Русия - на представителите на чукчийската етническа група. За съжаление, науката не прави изключение: физиците смятат химиците за учени от втори клас. Но те го правят напразно: понякога е много трудно да се разграничи къде е физиката и къде химията. Такъв пример могат да бъдат методите за свързване на атоми в вещество (например ковалентна неполярна връзка): структурата на атома е недвусмислено физика, производството на железен сулфид от желязо и сяра със свойства, които са различни от двете Fe и S е точно химия, но ето как от два различни атома се получава хомогенна комбинация - нито едното, нито другото. Това е нещо средно, но традиционно науката за връзките се изучава като дял от химията.

Електронни нивелири

Броят и разположението на електроните в атома се определя от четири квантови числа: главно, орбитално, магнитно и спиново. И така, според комбинацията от всички тези числа, има само два s-електрона в първата орбитала, два s-електрона и шест p-електрона във втората и т.н. С увеличаване на заряда на ядрото, броят на електроните също се увеличава, запълвайки все повече и повече нови нива. Химичните свойства на дадено вещество се определят от това колко и кои електрони има в обвивката на техните атоми. Ковалентна връзка, полярна и неполярна, се образува, ако във външните орбитали на два атома има по един свободен електрон.

Образуване на ковалентна връзка

Като начало трябва да се отбележи, че е неправилно да се казва „орбита“ и „позиция“ по отношение на електроните в електронната обвивка на атомите. Според принципа на Хайзенберг е невъзможно да се определи точното местоположение на елементарна частица. В този случай би било по-правилно да се говори за електронен облак, сякаш "размазан" около ядрото на определено разстояние. Така че, ако два атома (понякога еднакви, понякога различни химични елементи) имат по един свободен електрон, те могат да ги комбинират в обща орбитала. По този начин и двата електрона принадлежат на два атома едновременно. По този начин например се образува ковалентна неполярна връзка.

Свойства на ковалентните връзки

Има четири свойства на ковалентната връзка: насоченост, наситеност, полярност, поляризуемост. В зависимост от тяхното качество, химичните свойства на полученото вещество ще се променят: насищането показва колко връзки може да създаде този атом, насочеността показва ъгъла между връзките, поляризуемостта се определя от изместването на плътността към един от участниците в връзката. Полярността, от друга страна, се свързва с такова понятие като електроотрицателност и показва как ковалентната неполярна връзка се различава от полярната. Най-общо казано, електроотрицателността на атома е способността да привлича (или отблъсква) електроните на съседите в стабилни молекули. Например, най-електроотрицателните химични елементи са кислород, азот, флуор, хлор. Ако електроотрицателността на два различни атома е еднаква, възниква ковалентна неполярна връзка. Най-често това се случва, ако два атома от едно и също химическо вещество се комбинират в молекула, например H 2, N 2, Cl 2. Но това не е непременно така: в молекулите PH 3 ковалентната връзка също е неполярна.

Вода, кристал, плазма

В природата има няколко вида връзки: водородни, метални, ковалентни (полярни, неполярни), йонни. Връзката се определя от структурата на незапълнената електронна обвивка и определя както структурата, така и свойствата на веществото. Както подсказва името, метална връзка се среща само в кристали на определени химикали. Това е типът връзка между металните атоми, който определя способността им да провеждат електрически ток. Всъщност съвременната цивилизация е изградена върху това свойство. Водата, най-важното вещество за хората, е резултат от ковалентната връзка на един кислороден атом и два водородни атома. Ъгълът между тези две кръстовища определя уникалните свойства на водата. Много вещества, в допълнение към водата, имат полезни свойства само защото техните атоми са свързани с ковалентна връзка (полярна и неполярна). Йонното свързване най-често съществува в кристалите. Най-показателни са полезните свойства на лазерите. Сега те са различни: с работна течност под формата на газ, течност, дори органично багрило. Но твърдотелният лазер все още има оптималното съотношение на мощност, размер и цена. Въпреки това, ковалентна неполярна химична връзка, подобно на други видове взаимодействие на атоми в молекули, е присъща на вещества в три агрегатни състояния: твърдо, течно, газообразно. За четвъртото агрегатно състояние на материята, плазмата, е безсмислено да се говори за връзка. Всъщност това е силно йонизиран нагрят газ. В плазмено състояние обаче може да има молекули на вещества, които са твърди при нормални условия - метали, халогени и др. Трябва да се отбележи, че това агрегатно състояние на материята заема най-големия обем на Вселената: звездите, мъглявините, дори междузвездното пространство са смесица от различни видове плазма. Най-малките частици, които могат да пробият слънчевите панели на комуникационните спътници и да извадят от строя GPS системата, са прашната нискотемпературна плазма. По този начин светът, познат на хората, в който е важно да се знае вида на химичната връзка на веществата, е много малка част от вселената около нас.

Ориз. 2.1.Образуването на молекули от атоми се придружава от преразпределение на електрони на валентни орбиталии води до печалба в енергиязащото енергията на молекулите е по-малка от енергията на невзаимодействащите си атоми. Фигурата показва диаграма на образуването на неполярна ковалентна химична връзка между водородните атоми.

§2 Химична връзка

При нормални условия молекулярното състояние е по-стабилно от атомното състояние. (фиг.2.1). Образуването на молекули от атоми е придружено от преразпределение на електрони във валентни орбитали и води до увеличаване на енергията, тъй като енергията на молекулите е по-малка от енергията на невзаимодействащите атоми(Приложение 3). Силите, които задържат атомите в молекулите, са получили обобщено наименование химическа връзка.

Химическата връзка между атомите се осъществява от валентни електрони и има електрическа природа . Има четири основни вида химично свързване: ковалентен,йонен,метали водород.

1 Ковалентна връзка

Химическата връзка, осъществявана от електронни двойки, се нарича атомна или ковалентна. . Съединенията с ковалентни връзки се наричат ​​атомни или ковалентни. .

Когато възникне ковалентна връзка, възниква припокриване на електронни облаци от взаимодействащи атоми, придружено от освобождаване на енергия (фиг. 2.1). В този случай между положително заредените атомни ядра възниква облак с повишена плътност на отрицателния заряд. Поради действието на силите на Кулон на привличане между противоположните заряди, увеличаването на плътността на отрицателния заряд благоприятства приближаването на ядрата.

Ковалентната връзка се образува от несдвоени електрони във външните обвивки на атомите . В този случай се образуват електрони с противоположни спинове електронна двойка(фиг. 2.2), общи за взаимодействащите атоми. Ако между атомите е възникнала една ковалентна връзка (една обща електронна двойка), тогава тя се нарича единична, дву-двойна и т.н.

Енергията е мярка за силата на химичната връзка. д sv изразходвани за разрушаване на връзката (печалба на енергия по време на образуването на съединение от отделни атоми). Обикновено тази енергия се измерва на 1 mol веществаи се изразяват в килоджаули на mol (kJ ∙ mol -1). Енергията на единична ковалентна връзка е в диапазона 200–2000 kJmol–1.

Ориз. 2.2.Ковалентната връзка е най-общият тип химическа връзка, която възниква поради социализацията на електронна двойка чрез обменен механизъм. (а), когато всеки от взаимодействащите атоми доставя един електрон, или чрез донорно-акцепторния механизъм б)когато електронна двойка се споделя от един атом (донор) към друг атом (акцептор).

Ковалентната връзка има свойства ситост и фокус . Наситеността на ковалентната връзка се разбира като способността на атомите да образуват ограничен брой връзки със своите съседи, определени от броя на техните несдвоени валентни електрони. Насочеността на ковалентната връзка отразява факта, че силите, които държат атомите един до друг, са насочени по правата линия, свързваща атомните ядра. Освен това, ковалентната връзка може да бъде полярна или неполярна .

Кога неполярниПри ковалентната връзка електронен облак, образуван от обща двойка електрони, е разпределен в пространството симетрично по отношение на ядрата на двата атома. Неполярна ковалентна връзка се образува между атоми на прости вещества, например между идентични атоми на газове, които образуват двуатомни молекули (O 2, H 2, N 2, Cl 2 и др.).

Кога поляренковалентна връзка електронен облак връзката се измества към един от атомите. Образуването на полярна ковалентна връзка между атомите е характерно за сложните вещества. Като пример могат да служат молекули на летливи неорганични съединения: HCl, H 2 O, NH 3 и др.

Степента на изместване на общия електронен облак към един от атомите по време на образуването на ковалентна връзка (степен на полярност на връзката ) определя се главно от заряда на атомните ядра и радиуса на взаимодействащите атоми .

Колкото по-голям е зарядът на атомното ядро, толкова по-силно то привлича облак от електрони. В същото време, колкото по-голям е атомният радиус, толкова по-слабо се задържат външните електрони близо до атомното ядро. Кумулативният ефект на тези два фактора се изразява в различната способност на различните атоми да "дърпат" облака от ковалентни връзки към себе си.

Способността на атома в молекулата да привлича електрони към себе си се нарича електроотрицателност. . Така електроотрицателността характеризира способността на атома да поляризира ковалентна връзка: колкото по-голяма е електроотрицателността на атома, толкова повече електронният облак на ковалентната връзка е изместен към него .

Предложени са редица методи за количествено определяне на електроотрицателността. В същото време методът, предложен от американския химик Робърт С. Муликен, който определи електроотрицателността  атом като половината от сумата на неговата енергия д делектронен и енергиен афинитет д азатомна йонизация:

. (2.1)

Йонизационна енергияна атом се нарича енергията, която трябва да се изразходва, за да се „откъсне“ електрон от него и да се отведе на безкрайно разстояние. Енергията на йонизация се определя чрез фотойонизация на атоми или чрез бомбардиране на атоми с електрони, ускорени в електрическо поле. Тази най-малка стойност на енергията на фотоните или електроните, която става достатъчна за йонизацията на атомите, се нарича тяхната йонизационна енергия д аз. Обикновено тази енергия се изразява в електронволтове (eV): 1 eV = 1,610 -19 J.

Атомите са най-склонни да отдадат своите външни електрони. метали, които съдържат малък брой несдвоени електрони (1, 2 или 3) на външната обвивка. Тези атоми имат най-ниска енергия на йонизация. По този начин стойността на йонизационната енергия може да служи като мярка за по-голямата или по-малка "металност" на елемента: колкото по-ниска е йонизационната енергия, толкова по-силна трябва да бъде изразена металИмотиелемент.

В същата подгрупа на периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев, с увеличаване на поредния номер на елемента, неговата йонизационна енергия намалява (Таблица 2.1), което е свързано с увеличаване на атомния радиус (Таблица 1.2) и , следователно, с отслабване на връзката на външни електрони с ядро. За елементи от същия период йонизационната енергия нараства с увеличаване на серийния номер. Това се дължи на намаляване на атомния радиус и увеличаване на ядрения заряд.

Енергия д д, който се освобождава, когато електрон е прикрепен към свободен атом, се нарича електронен афинитет(изразено също в eV). Освобождаването (вместо поглъщането) на енергия, когато зареден електрон е прикрепен към някои неутрални атоми, се обяснява с факта, че атомите със запълнени външни обвивки са най-стабилни в природата. Следователно, за тези атоми, в които тези обвивки са „леко незапълнени“ (т.е. липсват 1, 2 или 3 електрона преди запълването), е енергийно полезно да прикрепят електрони към себе си, превръщайки се в отрицателно заредени йони 1 . Такива атоми включват например халогенни атоми (Таблица 2.1) - елементи от седмата група (главна подгрупа) на периодичната система на Д. И. Менделеев. Електронният афинитет на металните атоми обикновено е нулев или отрицателен, т.е. за тях е енергийно неизгодно да прикрепят допълнителни електрони, необходима е допълнителна енергия, за да ги задържат вътре в атомите. Електронният афинитет на неметалните атоми е винаги положителен и толкова по-голям, колкото по-близо до благородния (инертен) газ е разположен неметалът в периодичната система. Това показва увеличение неметални свойствас наближаването на края на периода.

От всичко казано става ясно, че електроотрицателността (2.1) на атомите се увеличава в посока отляво надясно за елементи от всеки период и намалява в посока отгоре надолу за елементи от същата група на Менделеевия период. система. Не е трудно обаче да се разбере, че за да се характеризира степента на полярност на ковалентната връзка между атомите, не е важна абсолютната стойност на електроотрицателността, а съотношението на електроотрицателността на атомите, образуващи връзката. Ето защо на практика те използват относителните стойности на електроотрицателността(Таблица 2.1), приемайки електроотрицателността на лития за единица.

За характеризиране на полярността на ковалентна химична връзка се използва разликата в относителната електроотрицателност на атомите. Обикновено връзката между атомите А и В се счита за чисто ковалентна, ако |  А – б|0,5.