Чому атоми можуть з'єднуватися один з одним і утворювати молекули? Яка причина можливого існування речовин, до складу яких входять атоми різних хімічних елементів? Це глобальні питання, що торкаються фундаментальні поняття сучасної фізичної і хімічної науки. Відповісти на них можна, маючи уявлення про електронному будову атомів і знаючи характеристики ковалентного зв'язку, що є базовою основою для більшості класів сполук. Мета нашої статті – ознайомитися з механізмами освіти різних типів хімічної зв'язку та особливостями властивостей сполук, що містять їх у своїх молекулах.

Електронна будова атома

Електронейтральні частинки матерії, які є її структурними елементами, що мають будову, дзеркально відбиває пристрій Сонячної системи. Як планети обертаються навколо центральної зірки – Сонця, так і електрони в атомі рухаються навколо позитивно зарядженого ядра. Для характеристики ковалентного зв'язку значущими будуть електрони, розташовані на останньому енергетичному рівні і найбільш віддалені від ядра. Так як їх зв'язок з центром власного атома мінімальна, вони здатні легко притягатися ядрами інших атомів. Це дуже важливо для виникнення міжатомних взаємодій, призводять до утворення молекул. Чому ж саме молекулярна форма є основним видом існування матерії на нашій планеті? Давайте розберемося.

Основна властивість атомів

Здатність электронейтральних частинок до взаємодії, що приводить до виграшу в енергії, – їх найважливіша особливість. Адже в звичайних умовах молекулярне стан речовини більш стійке, ніж атомне. Основні положення сучасного атомно-молекулярного вчення пояснюють як принципи утворення молекул, так і характеристики ковалентного зв'язку. Нагадаємо, що на зовнішньому енергетичному рівні атома може бути від 1 до 8 електронів, в останньому випадку шар буде завершеним, а значить, дуже стійким. Таку структуру зовнішнього рівня мають атоми благородних газів: аргону, криптону, ксенону – інертних елементів, що завершують кожен період в системі Д. І. Менделєєва. Винятком тут буде гелій, у якого на останньому рівні знаходиться не 8 а тільки 2 електрона. Причина проста: у першому періоді - всього два елементи, атоми яких мають єдиний електронний шар. У всіх інших хімічних елементів на останньому, незавершеному шарі розташовується від 1 до 7 електронів. У процесі взаємодії між собою атоми будуть прагнути заповнитися електронами до октету і відновити конфігурацію атома інертного елемента. Такий стан може бути досягнуто двома шляхами: втратою власних або чужих прийняттям негативно заряджених частинок. Ці форми взаємодії пояснюють, як визначити, яка зв'язок – іонна або ковалентний - виникне між вступають у реакцію атомами.

Механізми утворення стійкої електронної конфігурації

Уявімо, що в реакцію сполуки вступають два простих речовини: металевий натрій і газоподібний хлор. Утворюється речовина класу солей – натрію хлорид. Воно має іонний тип хімічного зв'язку. Чому і як вона виникла? Знову звернемося до будови атомів вихідних речовин. У натрію на останньому шарі знаходиться всього один електрон, слабо пов'язаний з ядром внаслідок великого радіусу атома. Енергія іонізації у всіх лужних металів, до яких відноситься і натрій, мала. Тому електрон зовнішнього рівня покидає енергетичний рівень, притягається ядром атома хлору і залишається в його просторі. Це створює прецедент переходу атома Cl у форму негативно зарядженого іона. Тепер ми маємо справу вже не з электронейтральними частками, а з зарядженими катіонами натрію і аніонами хлору. Згідно з законами фізики між ними виникають сили електростатичного притягання, і з'єднання утворює іонну кристалічну решітку. Розглянутий нами механізм формування іонного типу хімічного зв'язку допоможе більш чітко з'ясувати специфіку та основні характеристики ковалентного зв'язку.

Спільні електронні пари

Якщо іонна зв'язок виникає між атомами елементів, що сильно відрізняються электроотрицательностью, тобто металами і неметалами, то ковалентний тип з'являється при взаємодії атомів одного і того ж, так і різних неметалічних елементів. У першому випадку прийнято говорити про неполярном, а в іншому – про полярному вигляді ковалентного зв'язку. Механізм їх утворення загальний: кожен з атомів частково віддає в загальне користування електрони, які об'єднуються попарно. А ось просторове розташування електронних пар відносно ядер атомів буде неоднаковим. За цією ознакою розрізняють типи ковалентного зв'язку – неполярних і полярних. Найбільш часто в хімічних сполуках, що складаються з атомів неметалічних елементів, зустрічаються пари, що складаються з електронів з протилежними спінами, тобто обертаються навколо своїх ядер в протилежні сторони. Так як рух негативно заряджених частинок у просторі веде до утворення електронних хмар, що в кінцевому рахунку закінчується взаємним їх перекриванням. Які наслідки цього процесу для атомів і до чого він веде?

Фізичні властивості ковалентного зв'язку

Виявляється, що між центрами двох взаємодіючих атомів виникає двухэлектронное хмара, що має велику щільність. Посилюються електростатичні сили притягання між самим негативно зарядженою хмарою і ядрами атомів. Вивільняється порція енергії і зменшуються відстані між атомними центрами. Наприклад, на початку утворення молекули H 2 відстань між ядрами водневих атомів становить 106 А, після перекривання хмар і утворення спільної електронної пари – 074 А. Приклади ковалентного зв'язку, що формується за вищеописаним механізму, можна зустріти як серед простих, так і складних неорганічних речовин. Її головна відмітна риса – наявність спільних електронних пар. У підсумку після виникнення ковалентного зв'язку між атомами, наприклад, водню кожен з них набуває електронну конфігурацію інертного гелію, і новоутворена молекула має стійку структуру.

Просторова форма молекули

Ще одне дуже важливе фізична властивість ковалентного зв'язку – це спрямованість. Він неї залежить просторова конфігурація молекули речовини. Наприклад, при перекриванні двох електронів зі сферичною формою хмари вигляд молекули лінійний (хлороводород або бромоводород). Форма молекул води, у якій гибридизируются s - і p - хмари - кутова, а дуже міцні частинки газоподібного азоту мають вигляд піраміди.

Будова простих речовин неметалів

З'ясувавши, яку зв'язок називають ковалентним, які вона має ознаки, тепер саме час розібратися з її різновидами. Якщо під взаємодія між собою вступають атоми одного і того ж неметали – хлору, азоту, кисню, брому і т. д., то формуються відповідні прості речовини. Їх спільні електронні пари розташовуються на однаковій відстані від центрів атомів, не зміщуючись. Для сполук з неполярним видом ковалентного зв'язку притаманні такі ознаки: низькі температури кипіння і плавлення, нерозчинність у воді, діелектричні властивості. Далі ми з'ясуємо, для яких речовин характерна ковалентний зв'язок, при якій відбувається зсув спільних електронних пар.

Электроотрицательность та її вплив на тип хімічного зв'язку

Властивість певного елемента притягувати до себе електрони від атома іншого елемента в хімії називають электроотрицательностью. Шкалу значень даного параметра, запропоновану Л. Полінгом, можна зустріти у всіх підручниках з неорганічної та загальної хімії. Найбільше його значення – 41 ев - має фтор, менше – інші активні неметали, а найменший показник характерний для лужних металів. Якщо реагують між собою елементи, які відрізняються своєю электроотрицательностью, то неминуче один, більш активний, буде притягувати до свого ядра негативно заряджені частинки атома більш пасивного елемента. Таким чином, фізичні властивості ковалентного зв'язку безпосередньо залежать від здатності елементів віддавати електрони в загальне користування. Утворені при цьому загальні пари вже не розташовуються симетрично відносно ядер, а зміщуються в бік більш активного елемента.

Особливості сполук з полярної зв'язком

До речовин, в молекулах яких спільні електронні пари несиметричні відносно ядер атомів, можна віднести галогеноводороди, кислоти, сполуки халькогенов з воднем і кислотні оксиди. Це сульфатна та нітратна кислоти, оксиди сірки і фосфору, сірководень, і т. д. Наприклад, молекула хлороводню містить одну спільну електронну пару, утворену неспаренними електронами водню і хлору. Вона зміщена ближче до центру атома Cl, є більш електронегативний елемент. Всі речовини з полярної зв'язком у водних розчинах дисоціюють на іони і проводять електричний струм. З'єднання, що мають полярну ковалентную зв'язок, приклади яких ми привели, мають також більш високі температури плавлення і кипіння порівняно з простими речовинами-неметалами.

Способи розриву хімічних зв'язків

В органічній хімії реакції заміщення граничних вуглеводнів з галогенами йдуть по радикальному механізму. Суміш метану і хлору на світлі і при звичайній температурі реагує таким чином, що молекули хлору починають розщеплюватися на частинки, що несуть неспарені електрони. Інакше кажучи, спостерігається руйнування спільної електронної пари і освіта дуже активних радикалів –Cl. Вони здатні так впливати на молекули метану, що у тих відбувається розрив ковалентного зв'язку між атомами вуглецю і водню. Утворюється активна частка –H, а вільна валентність атома вуглецю приймає радикал хлору, і першим продуктом реакції стає хлорметан. Такий механізм розщеплення молекул називається гомолитическим. Якщо ж загальна пара електронів повністю переходить у володіння до одного з атомів, то говорять про гетеролитическом механізмі, характерному для реакцій, що проходять у водних розчинах. У цьому випадку полярні молекули води будуть посилювати швидкість руйнування хімічних зв'язків растворяемого з'єднання.

Подвійні і потрійні зв'язки

Переважна більшість органічних речовин та деякі неорганічні сполуки містять у своїх молекулах не одну, а кілька спільних електронних пар. Кратність ковалентного зв'язку зменшує відстань між атомами і збільшує стабільність з'єднання. Про них прийнято говорити як про хімічно стійких. Наприклад, у молекулі азоту є три пари електронів, вони позначаються в структурній формулі трьома рисками і зумовлюють її міцність. Просте речовина азот хімічно інертний і може реагувати з іншими сполуками, наприклад з воднем, киснем або металами тільки при нагріванні або підвищеному тиску, а також у присутності каталізаторів. Подвійні і потрійні зв'язки притаманні таким класами органічних сполук, як ненасичені диеновие вуглеводні, а також речовини ряду етилену або ацетилену. Кратні зв'язки обумовлюють основні хімічні властивості: реакції приєднання і полімеризації, що йдуть в місцях їх розриву. У нашій статті ми дали загальну характеристику ковалентного зв'язку і розглянули основні види.