Ковалентная связь

Ковалентная связь: полярная, неполярная, механизмы ее появления

Ковалентная связь – определение, характеристика. Что такое ковалентная связь?

Типы ковалентной связи

Ковалентная неполярная связь

Ковалентная полярная связь

Как определить ковалентную связь

Ковалентная связь, видео

Ковалентная связь – определение, характеристика. Что такое ковалентная связь?

Сам термин «ковалентная связь» происходит от двух латинских слов: «со» — совместно и «vales» — имеющий силу, так как это связь происходящая за счет пары электронов, принадлежащей одновременно обоим атомам (или говоря более простым языком, связь между атомами за счет пары электронов, являющихся общими для них). Образование ковалентной связи происходит исключительно среди атомов неметаллов, причем появляться она может как в атомах молекул, так и кристаллов.

Впервые ковалентная химическая связь была обнаружена в далеком 1916 году американских химиком Дж. Льюисом и некоторое время существовала в виде гипотезы, идеи, лишь затем была подтверждена экспериментально.

Что же выяснили химики по ее поводу? А то, что электроотрицательность неметаллов бывает довольно большой и при химическом взаимодействии двух атомов перенос электронов от одного к другому может быть невозможным, именно в этот момент и происходит объединение электронов обоих атомов, между ними возникает самая настоящая ковалентная связь атомов.

Типы ковалентной связи

В целом есть два типа ковалентной связи:

• обменный,
• донорно-акцептный.

При обменном типе ковалентной связи между атомами каждый из соединяющихся атомов представляет на образование электронной связи по одному неспареному электрону. При этом электроны эти должны иметь противоположные заряды (спины).

Примером подобной ковалентной связи могут быть связи происходящие молекуле водорода. Когда атомы водорода сближаются, в их электронные облака проникают друг в друга, в науке это называется перекрыванием электронных облаков.

Как следствие, электронная плотность между ядрами увеличивается, сами они притягиваются друг к другу, а энергия системы уменьшается.

[attention type=yellow]

Тем не менее, при слишком близком приближении ядра начинают отталкиваться, и таким образом возникает некое оптимально расстояние между ними.

[/attention]

Более наглядно это показано на картинке.

Что же касается донорно-акцепторного типа ковалентной связи, то он происходит когда одна частица, в данном случае донор, представляет для связи свою электронную пару, а вторая, акцептор — свободную орбиталь.

Также говоря о типах ковалентной связи можно выделить неполярную и полярную ковалентные связи, более подробно о них мы напишем ниже.

Ковалентная неполярная связь

Определение ковалентной неполярной связи просто, это связь, которая образуется между двумя одинаковыми атомами. Пример образование неполярной ковалентной связи смотрите ниже на схеме.

Схема ковалентной неполярной связи.

В молекулах при ковалентной неполярной связи общие электронные пары располагаются на равных расстояниях от ядер атомов. Например, в молекуле кислорода (на схеме выше), атомы приобретают восьми электронную конфигурацию, при этом они имеют четыре общие пары электронов.

Веществами с ковалентной неполярной связью обычно являются газы, жидкости или сравнительно низкоплавные тверды вещества.

Ковалентная полярная связь

Теперь же ответим на вопрос какая связь ковалентная полярная. Итак, ковалентная полярная связь образуется, когда ковалентно связанные атомы имеют разную электроотрицательность, и общественные электроны не принадлежат в равной степени двум атомам.

Большую часть времени общественные электроны находятся ближе к одному атому, чем к другому. Примером ковалентной полярной связи могут служить связи, возникающие в молекуле хлороводорода, там общественные электроны, ответственные за образование ковалентной связи располагаются ближе к атому хлора, нежели водорода.

А все дело в том, что электроотрицательность у хлора больше чем у водорода.

Так выглядит схема ковалентной полярной связи.

Ярким примером вещества с полярной ковалентной связью является вода.

Как определить ковалентную связь

Что же, теперь вы знаете ответ на вопрос как определить ковалентную полярную связь, и как неполярную, для этого достаточно знать свойства и химическую формулу молекул, если эта молекула состоит из атомов разных элементов, то связь будет полярной, если из одного элемента, то неполярной. Также важно помнить, что ковалентные связи в целом могут возникать только среди неметаллов, это обусловлено самим механизмом ковалентных связей, описанным выше.

Ковалентная связь, видео

И в завершение видео лекция о теме нашей статьи, ковалентной связи.

Эта статья доступна на английском языке — Covalent Bond.

Химическая связь. Ковалентная и ионная связи

Когда изучают строение молекулы, возникает вопрос о природе сил, обеспечивающих связь между нейтральными атомами, входящими в состав молекулы. Такие связи между атомами в молекуле называют химической связью. Выделяют два типа химических связей:

• ионная связь,
• ковалентная связь.

Это деление в известной мере условно. В большинстве случаев связь имеет характерные черты обоих типов связей. Только детальные теоретические и эмпирические исследования дают возможность установить в каждом случае соотношение между степенью «ионности» и «ковалентности» связи.

Эмпирически доказано, что для разъединения молекул на составные части (атомы) следует выполнить работу. Значит, процесс образования молекулы должен быть сопровожден выделением энергии.

Так, 2 атома водорода, пребывающие в свободном состоянии имеют большую энергию, чем те же атомы в двухатомной молекуле $H_2.

$ Энергия, выделяемая при образовании молекулы, служит мерой работы сил взаимодействия, которые связывают атомы в молекулу.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Опыты показали, что силы взаимодействия между атомами появляются благодаря внешним валентным электронам атомов. Об этом говорит резкое изменение оптического спектра атомов вступающих в химические реакции при сохранении без изменения рентгеновского характеристического спектра атомов не зависимо от рода химического соединения.

Мы помним, что линейчатые оптические спектры определены состоянием валентных электронов, тогда как характеристическое рентгеновское излучение определяют внутренние электроны (их состояния). Понятно, что в химических взаимодействиях должны участвовать электроны, для изменения которых требуется относительно небольшая энергия. Такими электронами являются внешние электроны атомов.

Их потенциал ионизации существенно меньше, чем у электронов внутренних оболочек.

Ионная связь

Самым простым предположением о природе химической связи атомов в молекуле является гипотеза о том, что между вешними электронами появляются силы взаимодействия электрической природы.

При этом обязательным условием устойчивости молекулы в таком случае будет существование у двух атомов, которые взаимодействуют, электрических зарядов противоположного знака. Данный тип химической связи реализуется только в части молекул. При этом атомы, вступающие во взаимодействие, превращаются в ионы.

Один из атомов присоединяет к себе один или несколько электронов и становится отрицательным ионом, при этом другой атом, отдавший электроны становится положительным ионом.

[attention type=red]

Ионная связь аналогична силам притяжения между зарядами противоположных знаков. Так, например, положительно заряженный ион натрия (${Na}+$) притягивается к отрицательно заряженному иону хлора (${Cl}-$), при этом образуется молекула NaCl.

[/attention]

Ионную связь называют еще гетерополярной (гетеро — разный). Молекулы, в которых реализуется ионный тип связи, называют ионными или гетерополярными молекулами.

При помощи одной ионной связи не удается объяснить структуры всех молекул. Так, невозможно понять, почему образуют молекулу два нейтральных атома водорода.

Из-за одинаковости атомов водорода нельзя считать, что один ион водорода несет положительный заряд, а другой отрицательный.

Связь, подобная связи в молекуле водорода (между нейтральными атомами) объяснима только в рамках квантовой механики. Она называется ковалентной связью.

Ковалентная связь

Химическую связь, которая осуществляется между электрически нейтральными атомами в молекуле, называют ковалентной или гомеополярной связью (гомео — одинаковый). Молекулы, которые образованы на основе такой связи, называют гомеополярными или атомными молекулами.

В классической физике известен один тип взаимодействия, которое реализуется между нейтральными телами — это гравитация. Но гравитационные силы слишком слабые для того, чтобы с их помощью можно было объяснить взаимодействие в гомеополярной молекуле.

Физическая сущность ковалентной связи заключается в следующем. Электрон в поле ядра пребывает в определенном квантовом состоянии с определенной энергией. При изменении расстояния между ядрами корректируется и состояние движения электрона, и его энергия.

Если расстояние между атомами уменьшается, то энергия взаимодействия, между ядрами увеличивается, так как между ними действуют силы отталкивания. Но, если энергия электрона с уменьшением расстояния уменьшается быстрее, чем растет энергия взаимодействия ядер, то совокупная энергия системы при этом становится меньше.

Значит, в системе, которая составлена из двух отталкивающихся ядер и электрона действуют силы, которые стремятся уменьшить расстояние между ядрами (действуют силы притяжения). Эти силы и порождают ковалентную связь в молекуле.

Они появляются из-за наличия общего электрона, то есть благодаря электронному обмену между атомами, и, значит, являются обменными квантовыми силами.

Ковалентная связь имеет свойство насыщения. Это свойство проявляется через определенную валентность атомов. Так, атом водорода может связываться с одним атомом водорода, атом углерода может быть связан с не более чем четырьмя атомами водорода.

[attention type=green]

Данная связь дает возможность объяснить валентность атомов, которая не получила в рамках классической физики исчерпывающего объяснения. Так, свойство насыщения непонятно с точки зрения природы взаимодействия в классической теории.

[/attention]

Ковалентная связь может наблюдаться не только в двухатомных молекулах. Она характерна для большого количества молекул неорганических соединений (окись азота, аммиак, метан и др.).

Количественная теория ковалентной связи была создана для молекулы водорода в 1927 г. В. Гайтлером и Ф Лондоном на основании понятий квантовой механики. Было показано, что причиной, которая вызывает создание молекулы с ковалентной связью, является кванотовомеханический эффект, который связан с неразличимостью электронов.

Основная энергия связи определена обменным интегралом. Молекула водорода имеет суммарный спин равный нулю, она не имеет орбитального момента и в связи с этим должна быть диамагнитна. При столкновении двух атомов водорода молекула возникает только при условии, что спины обоих электронов антипараллельны.

При параллельных спинах атомы водорода молекулы не образуют, так как отталкиваются.

Если ковалентная связь соединяет два одинаковых атома, то расположение электронного облака в молекуле является симметричным. Если ковалентная связь соединяет два разных атома, то расположение электронного облака в молекуле является асимметричным.

Молекула, обладающая асимметричным распределением электронного облака, имеет постоянный дипольный момент и, значит, является полярной.

В предельном случае, когда вероятность локализации электрона около одного из атомов превалирует над вероятностью нахождения этого электрона около другого атома, ковалентная связь переходит в ионную связь. Непреодолимой границы между ионной и ковалентной связью нет.

Пример 1

Задание: Опишите, что может произойти при сближении двух атомов.

Решение:

Если уменьшать расстояние между атомами, то возможна реализация трех ситуаций:

1. Одна пара электронов (или более) становятся общими для рассматриваемых атомов. Эти электроны перемещаются между атомами и проводят там времени больше, чем в других местах. Это создает силы притяжения.
2. Возникает ионная связь. При этом один (или более) электронов одного атома могут перейти к другому. Таким образом, появляются положительный и отрицательный ионы, который притягивают друг друга.
3. Не возникает связи. Электронные структуры двух атомов перекрываются и составляют единую систему. В соответствии с принципом Паули два электрона в такой системе не могут находиться в одном квантовом состоянии. Если некоторые из электронов вынуждены были перейти на более высокие энергоуровни, чем те, которые они занимали в отдельных атомах, то система будет иметь большую энергию и будет нестабильной. Даже, если удовлетворить принцип Паули, без увеличения энергии системы, то появляется электрическая сила отталкивания между разными электронами, но данный фактор оказывает гораздо меньшее влияние на создание связи, чем принцип Паули.

Пример 2

Задание: Энергией ионизации (потенциалом ионизации) элемента называют энергию, которая необходима для удаления электрона из одного его атома. Она служит мерой того насколько тесно связаны внешний электрон или электроны. Объясните, почему энергия ионизации лития больше, чем натрия, натрия больше, чем калия, калия больше, чем рубидия.

Решение:

Перечисленные элементы являются щелочными металлами и относятся к первой группе. Атом любого из этих элементов имеет единственный внешний электрон в s — состоянии.

Электроны внутренних оболочек частично экранируют внешний электрон от ядерного заряда $(+Zq_e$), как следствие эффективный заряд, который удерживает внешний электрон, оказывается равен ${+q}_e$.

[attention type=yellow]

Для удаления из такого атома внешнего электрона необходимо совершить относительно небольшую работу, при этом атомы щелочных металлов превращаются в положительные ионы. Чем больше атом, тем больше расстояние валентного электрона от ядра, тем меньше сила, с которой ядро его притягивает.

[/attention]

Поэтому энергия ионизации убывает в данной группе элементов сверху вниз (имеется в виду периодическая система элементов). Рост энергии ионизации в каждом периоде слева направо связано с увеличением заряда ядра, при постоянстве количества внутренних экранирующих электронов.

Строение веществ. Химическая связь: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая – HIMI4KA

ОГЭ 2018 по химии › Подготовка к ОГЭ 2018

Химическая связь — электростатическое взаимодействие между электронами и ядрами, приводящее к образованию молекул.

Химическую связь образуют валентные электроны. У s- и p-элементов валентными являются электроны внешнего слоя, у d-элементов — s-электроны внешнего слоя и d-электроны предвнешнего слоя. При образовании химической связи атомы достраивают свою внешнюю электронную оболочку до оболочки соответствующего благородного газа.

Длина связи — среднее расстояние между ядрами двух химически связанных между собой атомов.

Энергия химической связи — количество энергии, необходимое для того, чтобы разорвать связь и отбросить фрагменты молекулы на бесконечно большое расстояние.

Валентный угол — угол между линиями, соединяющими химически связанные атомы.

Известны следующие основные типы химической связи: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая и водородная.

Ковалентной называют химическую связь, образованную за счёт образования общей электронной пары.

Если связь образует пара общих электронов, в равной мере принадлежащая обоим соединяющимся атомам, то её называют ковалентной неполярной связью. Эта связь существует, например, в молекулах H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2. Ковалентная неполярная связь возникает между одинаковыми атомами, а связующее их электронное облако равномерно распределено между ними.

В молекулах между двумя атомами может формироваться различное число ковалентных связей (например, одна в молекулах галогенов F2, Cl2, Br2, I2, три — в молекуле азота N2).

Ковалентная полярная связь возникает между атомами с разной электроотрицательностью. Образующая её электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома, но остаётся связанной с обоими ядрами. Примеры соединений с ковалентной полярной связью: HBr, HI, H2S, N2O и т. д.

Ионной называют предельный случай полярной связи, при которой электронная пара полностью переходит от одного атома к другому и связанные частицы превращаются в ионы.

Строго говоря, к соединениям с ионной связью можно отнести лишь соединения, для которых разность в электроотрицательности больше 3, но таких соединений известно очень мало. К ним относят фториды щелочных и щёлочноземельных металлов.

Условно считают, что ионная связь возникает между атомами элементов, разность электроотрицательности которых составляет величину больше 1,7 по шкале Полинга. Примеры соединений с ионной связью: NaCl, KBr, Na2O.

Подробнее о шкале Полинга будет рассказано в следующем уроке.

Металлической называют химическую связь между положительными ионами в кристаллах металлов, которая осуществляется в результате притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу металла.

Атомы металлов превращаются в катионы, формируя металлическую кристаллическую решётку. В этой решётке их удерживают общие для всего металла электроны (электронный газ).

Тренировочные задания

1. Ковалентной неполярной связью образовано каждое из веществ, формулы которых

1) O2, H2, N2
2) Al, O3, H2SO4
3) Na, H2, NaBr
4) H2O, O3, Li2SO4

2. Ковалентной полярной связью образовано каждое из веществ, формулы которых

1) O2, H2SO4, N2
2) H2SO4, H2O, HNO3
3) NaBr, H3PO4, HCl
4) H2O, O3, Li2SO4

3. Только ионной связью образовано каждое из веществ, формулы которых

1) CaO, H2SO4, N2
2) BaSO4, BaCl2, BaNO3
3) NaBr, K3PO4, HCl
4) RbCl, Na2S, LiF

4. Металлическая связь характерна для элементов списка

1) Ba, Rb, Se 2) Cr, Ba, Si 3) Na, P, Mg

4) Rb, Na, Cs

5. Соединениями только с ионной и только с ковалентной полярной связью являются соответственно

1) HCl и Na2S
2) Cr и Al(OH)3
3) NaBr и P2O5
4) P2O5 и CO2

6. Ионная связь образуется между элементами

1) хлором и бромом 2) бромом и серой 3) цезием и бромом

4) фосфором и кислородом

7. Ковалентная полярная связь образуется между элементами

1) кислородом и калием 2) серой и фтором 3) бромом и кальцием

4) рубидием и хлором

8. В летучих водородных соединениях элементов VA группы 3-го периода химическая связь

1) ковалентная полярная 2) ковалентная неполярная 3) ионная

4) металлическая

9. В высших оксидах элементов 3-го периода вид химической связи с увеличением порядкового номера элемента изменяется

1) от ионной связи к ковалентной полярной связи 2) от металлической к ковалентной неполярной 3) от ковалентной полярной связи до ионной связи

4) от ковалентной полярной связи до металлической связи

10. Длина химической связи Э–Н увеличивается в ряду веществ

[attention type=red]

1) HI – PH3 – HCl
2) PH3 – HCl – H2S
3) HI – HCl – H2S
4) HCl – H2S – PH3

[/attention]

11. Длина химической связи Э–Н уменьшается в ряду веществ

1) NH3 – H2O – HF
2) PH3 – HCl – H2S
3) HF – H2O – HCl
4) HCl – H2S – HBr

12. Число электронов, которые участвуют в образовании химических связей в молекуле хлороводорода, —

1) 4 2) 2 3) 6

4) 8

13. Число электронов, которые участвуют в образовании химических связей в молекуле P2O5, —

1) 4 2) 20 3) 6

4) 12

14. В хлориде фосфора (V) химическая связь

1) ионная 2) ковалентная полярная 3) ковалентная неполярная

4) металлическая

15. Наиболее полярная химическая связь в молекуле

1) фтороводорода 2) хлороводорода 3) воды

4) сероводорода

16. Наименее полярная химическая связь в молекуле

1) хлороводорода 2) бромоводорода 3) воды

4) сероводорода

17. За счёт общей электронной пары образована связь в веществе

1) Mg
2) H2 3) NaCl

4) CaCl2

18. Ковалентная связь образуется между элементами, порядковые номера которых

1) 3 и 9 2) 11 и 35 3) 16 и 17

4) 20 и 9

19. Ионная связь образуется между элементами, порядковые номера которых

1) 13 и 9 2) 18 и 8 3) 6 и 8

4) 7 и 17

20. В перечне веществ, формулы которых соединения только с ионной связью, это

1) NaF, CaF2
2) NaNO3, N2
3) O2, SO3
4) Ca(NO3)2, AlCl3

Ответы

Ковалентная полярная и неполярная связи, что это такое и как различать связь

> Химия > Ковалентная связь, полярная и неполярная, особенности, формулы и схемы

Ни для кого не секрет, что химия — наука довольно сложная и к тому же разнообразная.

Множество различных реакций, реагентов, химикатов и прочих сложных и непонятных терминов — все они взаимодействуют друг с другом.

Но главное, что с химией мы имеем дело каждый день, неважно, слушаем ли мы учителя на уроке и усваиваем новый материал или же завариваем чай, который в целом тоже представляет собой химический процесс.

• Появления термина
• Виды ковалентной связи
• Ковалентная полярная — образование
• Ковалентная неполярная, разница между полярной и неполярной
• Свойства связи

Можно сделать вывод, что химию знать просто необходимо, разбираться в ней и знать, как устроен наш мир или какие-то отдельные его части — интересно, и, более того, полезно.

Сейчас нам предстоит разобраться с таким термином, как ковалентная связь, которая, кстати говоря, может быть как полярной, так и неполярной. Кстати говоря, само слово «ковалентная», образуется от латинского «co» — совместно и «vales» — имеющий силу.

: механизм образования металлической химической связи, примеры.

Появления термина

Начнём с того, что сам термин «ковалентная» впервые ввёл в 1919 году Ирвинг Ленгмюр — лауреат Нобелевской премии.

Понятие «ковалентной» предполагает химическую связь, при которой оба атома обладают электронами, что называется совместным обладанием.

Таким образом, она, к примеру, отличается от металлической, в которой электроны свободны, или же от ионной, где и вовсе один отдаёт электроны другому. Нужно заметить, что образуется она между неметаллами.

Исходя из вышесказанного, можно сделать небольшой вывод о том, что из себя представляет этот процесс. Она возникает между атомами за счёт образования общих электронных пар, причём пары эти возникают на внешних и предвнешних подуровнях электронов.

Примеры, вещества с полярной:

: водородная связь образуется между молекулами, химический механизм.

Виды ковалентной связи

Также различаются два вида — это полярная, и, соответственно, неполярная связи. Особенности каждой из них мы разберём отдельно.

Ковалентная полярная — образование

Что из себя представляет термин «полярная»?

Обычно происходит так, что два атома имеют разную электроотрицательность, следовательно, общие электроны не принадлежат им в равной степени, а находятся они всегда ближе к одному, чем к другому.

К примеру, молекула хлороводорода, в ней электроны ковалентной связи располагаются ближе к атому хлора, так как его электроотрицательность выше чем у водорода.

Однако, на самом деле, разница в притяжении электронов невелика настолько, чтобы произошёл полный перенос электрона от водорода к хлору.

[attention type=green]

В итоге при полярной электронная плотность смещается к более электроотрицательному, на нём же возникает частичный отрицательный заряд. В свою очередь, у того ядра, чья электроотрицательность ниже, возникает, соответственно, частичный положительный заряд.

[/attention]

Делаем вывод: полярная возникает между различными неметаллами, которые отличаются по значению электроотрицательности, а электроны располагаются ближе к ядру с большей электроотрицательностью.

Электроотрицательность – способность одних атомов притягивать к себе электроны других, тем самым образуя химическую реакцию.

Примеры ковалентной полярной, вещества с ковалентной полярной связью:

Формула вещества с ковалентной полярной связью

Ковалентная неполярная, разница между полярной и неполярной

И наконец, неполярная, скоро мы узнаем что же она из себя представляет.

Основное отличие неполярной от полярной — это симметрия. Если в случае с полярной электроны располагались ближе к одному атому, то при неполярной связи, электроны располагаются симметрично, то есть в равной степени по отношению к обоим.

Примечательно, что неполярная возникает между атомами неметалла одного химического элемента.

К примеру, вещества с неполярной ковалентной связью:

Также совокупность электронов зачастую называют просто электронным облаком, исходя из этого делаем вывод, что электронное облако связи, которое образует общая пара электронов, распределяется в пространстве симметрично, или же равномерно по отношению к ядрам обоих.

Примеры ковалентной неполярной связи и схема образования ковалентной неполярной связи

Свойства связи

1. Длина — расстояние между ядрами атомов, которые её образуют.
2. Энергия — количество энергии, необходимой для её разрыва.
3. Насыщаемость — способность атомов н-ное определённое количество связей.

Но Также полезно знать, как же различать ковалентную полярную и неполярную.

Ковалентная неполярная — это всегда атомы одного и того же вещества. H2. CL2.

В остальных случаях можно считать полярной.

На этом статья подошла к концу, теперь мы знаем, что из себя представляет этот химический процесс, умеем определять его и его разновидности, знаем формулы образования веществ, и в целом чуточку больше о нашем сложном мире, успехов в химии и образовании новых формул.

Ковалентная химическая связь

Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 3. Молекула / Ковалентная химическая связь

Данные по энергии ионизации (ЭИ), ПЭИ и составу стабильных молекул — их настоящие значения и сравнения — как свободных атомов, так и атомов, связанных в молекулы, позволяют нам понять как атомы образуют молекулы посредством механизма ковалентной связи.

КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ — (от латинского  «со» совместно и «vales» имеющий силу) (гомеополярная связь), химическая связь между двумя атомами, возникающая при обобществлении электронов, принадлежавших этим атомам. Ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов. Связь, при которой имеется одна общая пара электронов, называется одинарной; существуют также двойные и тройные связи.

Рассмотрим несколько примеров, чтобы увидеть, как мы можем использовать наши правила для определения количества ковалентных химических связей, которые может образовать атом, если мы знаем количество электронов на внешней оболочке данного атома и заряд его ядра. Заряд ядра и количество электронов на внешней оболочке определяются экспериментальным путем и включены в таблицу элементов. 

Расчет возможного числа ковалентных связей

Для примера, подсчитаем количество ковалентных связей, которые могут образовать натрий (Na), алюминий (Al), фосфор (P), и хлор (Cl).

Натрий  (Na) и алюминий (Al) имеют, соответственно 1 и 3 электрона на внешней оболочке, и, по первому правилу (для механизма  образования ковалентной связи используется один электрон на внешней оболочке), они могут образовать:натрий (Na) — 1 и алюминий (Al) — 3 ковалентных связи.

После образования связей количество электронов на внешних оболочках натрия (Na) и  алюминия (Al) равно, соответственно, 2 и 6; т.е., менее максимального количества (8) для этих атомов.

  Фосфор (P) и хлор (Cl) имеют, соответственно, 5 и 7 электронов на внешней оболочке и, согласно второй из вышеназванных закономерностей, они могли бы образовать 5 и 7 ковалентных связей.

 В соответствии с четвертой закономерностью образование ковалентной связи, число электронов на внешней оболочке этих атомов увеличивается на 1. Согласно шестой закономерности, когда образуется ковалентная связь, число электронов на внешней оболочке связываемых атомов не может быть более 8. То есть, фосфор (P) может образовать только 3 связи (8-5 = 3), в то время как хлор (Cl) может образовать только одну (8-7 = 1).

Описанный механизм образования ковалентных связей позволяет нам предсказать  молекулярное строение вещества на основании элементарного анализа.

Пример: на основании анализа мы обнаружили, что некое вещество состоит из атомов натрия (Na) и хлора (Cl). Зная закономерности механизма образования ковалентных связей, мы можем сказать, что натрий (Na) может образовать только 1 ковалентную связь.

Таким образом, мы можем предположить, что  каждый атом натрия (Na) связан с атомом хлора (Cl) посредством ковалентной связи в этом веществе, и что это вещество состоит из молекул атома NaCl. Формула строения для этой молекулы: Na — Cl. Здесь тире (-) означает ковалентную связь.

Электронную формулу этой молекулы можно показать следующим образом:                                                  . .                                          Na : Cl :                                                 . .

[attention type=yellow]

 

[/attention]В соответствии с электронной формулой, на внешней оболочке атома натрия (Na) в NaCl имеется 2 электрона, а на внешней оболочке атома хлора (Cl) находится 8 электронов. В данной формуле электроны (точки) между атомами натрия (Na) и хлора (Cl) являются связующими электронами.

Поскольку ПЭИ у хлора (Cl) равен 13 эВ, а у натрия (Na) он равен 5,14 эВ, связующая пара электронов находится гораздо ближе к атому Cl, чем к атому Na.  Если энергии ионизации атомов, образующих молекулу сильно различаются, то образовавшаяся связь будет полярной ковалентной связью.

Рассмотрим другой случай. На основании анализа мы обнаружили, что некое вещество состоит из атомов алюминия (Al) и атомов хлора (Cl).

У алюминия (Al) имеется 3 электрона на внешней оболочке; таким образом, он может образовать 3 ковалентные химические связи, в то время хлор (Cl), как и в предыдущем случае, может образовать только 1 связь.

Это вещество представлено как AlCl3, а его электронную формулу можно проиллюстрировать следующим образом:

Рисунок 3.1. Электронная формула AlCl3  

чья формула строения:                                                                                                      Cl — Al — Cl                                                                                                              |                                                                                                          Cl  

Эта электронная формула показывает, что у AlCl3 на внешней оболочке атомов хлора (Cl) имеется 8 электронов, в то время, как на внешней оболочке атома алюминия (Al) их 6.  По механизму образования ковалентной связи, оба связующих электрона (по одному от каждого атома) поступают на внешние оболочки связываемых атомов.

Кратные ковалентные связи

Атомы, имеющие более одного электрона на внешней оболочке, могут образовывать не одну, а несколько ковалентных связей между собой. Такие связи называются многократными (чаще  кратными) связями. Примерами таких связей служат связи молекул азота (N=N) и кислорода (O = O).

Связь, образующаяся при объединении одинарных атомов называется гомоатомной ковалентной связью,если атомы разные,  то  связь называется гетероатомнной ковалентной связью [греческие префексы «гомо» и «гетеро» соответственно означают одинаковые и разные].

Представим, как в действительности выглядит молекула со спаренными атомами. Самая простая молекула со спаренными атомами — это молекула водорода.

Строение молекулы.Химическая связь >>

Ковалентная связь

Модель молекулы водорода >>

Энергия молекулы водорода >>

Выводы >>

1.3.1. Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Крайне редко химические вещества состоят из отдельных, не связанных между собой атомов химических элементов. Таким строением в обычных условиях обладает лишь небольшой ряд газов называемых благородными: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

Чаще же всего химические вещества состоят не из разрозненных атомов, а из их объединений в различные группировки. Такие объединения атомов могут насчитывать несколько единиц, сотен, тысяч или даже больше атомов.

Сила, которая удерживает эти атомы в составе таких группировок, называется химическая связь.

Другими словами, можно сказать, что химической связью называют взаимодействие, которое обеспечивает связь отдельных атомов в более сложные структуры (молекулы, ионы, радикалы, кристаллы и др.).

Причиной образования химической связи является то, что энергия более сложных структур меньше суммарной энергии отдельных, образующих ее атомов.

Так, в частности, если при взаимодействии атомов X и Y образуется молекула XY, это означает, что внутренняя энергия молекул этого вещества ниже, чем внутренняя энергия отдельных атомов, из которых оно образовалось:

E(XY) < E(X) + E(Y)

[attention type=red]

По этой причине при образовании химических связей между отдельными атомами выделятся энергия.

[/attention]

Упрощенно можно считать, что в основе химических связей лежат электростатические силы, обусловленные взаимодействиями положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

https://www.youtube.com/watch?v=2GrFg8fayjg

В образовании химических связей принимают участие электроны внешнего электронного слоя с наименьшей энергией связи с ядром, называемые валентными. Например, у бора таковыми являются электроны 2 энергетического уровня – 2 электрона на 2s-орбитали и 1 на 2p-орбитали:

При образовании химической связи каждый атом стремится получить электронную конфигурацию атомов благородных газов, т.е. чтобы в его внешнем электронном слое было 8 электронов (2 для элементов первого периода). Это явление получило название правила октета.

Достижение атомами электронной конфигурации благородного газа возможно, если изначально одиночные атомы сделают часть своих валентных электронов общими для других атомов. При этом образуются общие электронные пары.

В зависимости от степени обобществления электронов можно выделить ковалентную, ионную и металлическую связи.

Ковалентная связь

Ковалентная связь возникает чаще всего между атомами элементов неметаллов. Если атомы неметаллов, образующие ковалентную связь, относятся к разным химическим элементам, такую связь называют ковалентной полярной.

Причина такого названия кроется в том, что атомы разных элементов имеют и различную способность притягивать к себе общую электронную пару. Очевидно, что это приводит к смещению общей электронной пары в сторону одного из атомов, в результате чего на нем формируется частичный отрицательный заряд.

В свою очередь, на другом атоме формируется частичный положительный заряд. Например, в молекуле хлороводорода электронная пара смещена от  атома водорода к атому хлора:

Примеры веществ с ковалентной полярной связью:

СCl4, H2S, CO2, NH3, SiO2 и т.д.

[attention type=green]

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметаллов одного химического элемента. Поскольку атомы идентичны, одинакова и их способность оттягивать на себя общие электроны. В связи с этим смещения электронной пары не наблюдается:

[/attention]

Вышеописанный механизм образования ковалентной связи, когда оба атома предоставляют электроны для образования общих электронных пар, называется обменным.

Также существует и донорно-акцепторный механизм.

При образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму общая электронная пара образуется за счет заполненной орбитали одного атома (с двумя электронами) и пустой орбитали другого атома.

Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называют донором, а атом со свободной орбиталью – акцептором.

В качестве доноров электронных пар выступают атомы, имеющие спаренные электроны, например N, O, P, S.

Например, по донорно-акцепторному механизму происходит образование четвертой ковалентной связи N-H в катионе аммония NH4+:

Помимо полярности ковалентные связи также характеризуются энергией. Энергией связи называют минимальную энергию, необходимую для разрыва связи между атомами.

Энергия связи уменьшается с ростом радиусов связываемых атомов. Так, как мы знаем, атомные радиусы увеличиваются вниз по подгруппам, можно, например, сделать вывод о том, что прочность связи галоген-водород увеличивается в ряду:

[attention type=yellow]

HI < HBr < HCl < HF

[/attention]

Также энергия связи зависит от ее кратности – чем больше кратность связи, тем больше ее энергия. Под кратностью связи понимается количество общих электронных пар между двумя атомами.

Ионная связь

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи.

Если в ковалентной-полярной связи общая электронная пара смещена частично к одному из пары атомов, то в ионной она практически полностью «отдана» одному из атомов.

Атом, отдавший электрон(ы), приобретает положительный заряд и становится катионом, а атом, забравший у него электроны, приобретает отрицательный заряд и становится анионом.

Таким образом, ионная связь — это связь, образованная за счет электростатического притяжения катионов к анионам.

Образование такого типа связи характерно при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.

Например, фторид калия. Катион калия получается в результате отрыва от нейтрального атома одного электрона, а ион фтора образуется при присоединении к атому фтора одного электрона:

Между получившимися ионами возникает сила электростатического притяжения, в результате чего образуется ионное соединение.

При образовании химической связи электроны от атома натрия перешли к атому хлора и образовались противоположно заряженные ионы, которые имеют завершенный внешний энергетический уровень.

Установлено, что электроны от атома металла не отрываются полностью, а лишь смещаются в сторону атома хлора, как в ковалентной связи.

[attention type=red]

Большинство бинарных соединений, которые содержат атомы металлов, являются ионными. Например, оксиды, галогениды, сульфиды, нитриды.

[/attention]

Ионная связь возникает также между простыми катионами и простыми анионами (F−, Cl−, S2-), а также между простыми катионами и сложными анионами (NO3−, SO42-, PO43-, OH−). Поэтому к ионным соединениям относят соли и основания (Na2SO4, Cu(NO3)2, (NH4)2SO4), Ca(OH)2, NaOH)

Металлическая связь

Данный тип связи образуется в металлах.

У атомов всех металлов на внешнем электронном слое присутствуют электроны, имеющие низкую энергию связи с ядром атома. Для большинства металлов, энергетически выгодным является процесс потери внешних электронов.

Ввиду такого слабого взаимодействия с ядром эти электроны в металлах весьма подвижны и в каждом кристалле металла непрерывно происходит следующий процесс:

М0 — ne− = Mn+ ,

где М0 – нейтральный атом металла, а Mn+ катион этого же металла. На рисунке ниже представлена иллюстрация происходящих процессов.

То есть по кристаллу металла «носятся» электроны, отсоединяясь от одного атома металла, образуя из него катион, присоединяясь к другому катиону, образуя нейтральный атом.

Такое явление получило название “электронный ветер”, а совокупность свободных электронов в кристалле атома неметалла назвали “электронный газ”.

Подобный тип взаимодействия между атомами металлов назвали металлической связью.

Водородная связь

Если атом водорода в каком-либо веществе связан с элементом с высокой электроотрицательностью (азотом, кислородом или фтором),   для такого вещества характерно такое явление, как водородная связь.

Поскольку атом водорода связан с электроотрицательным атомом, на атоме водорода образуется частичный положительный заряд, а на атоме электроотрицательного элемента — частичный отрицательный.

В связи с этим становится возможным электростатическое притяжения между частично положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой.

Например водородная связь наблюдается для молекул воды:

[attention type=green]

Именно водородной связью объясняется аномально высокая температура плавления воды. Кроме воды, также прочные водородные связи образуются в таких веществах, как фтороводород, аммиак, кислородсодержащие кислоты, фенолы, спирты, амины.

[/attention]