Урок 7. Природа хімічного зв'язку. Ковалентний зв'язок. 11 клас.

— Що сталося б, якби не було хімічного зв'язку?

— Атоми були б розрізненими частинками, і не було б ніяких речовин, ні простих, ні складних, і навіть нас.

НАВІЩО ПОТРІБНИЙ ХІМІЧНИЙ ЗВ'ЯЗОК?

Відповідно до спостережень учених, атоми намагаються заповнити всі порожні орбіталі на зовнішньому рівні. При цьому атом може використовувати також електрони інших атомів. Досягти цього можна, утворюючи сполуки за допомогою хімічних зв'язків. Виділяють ковалентні, йонні, металічні та інші зв'язки.

Тепер про кожний зв'язок докладніше.

КОВАЛЕНТНИЙ ЗВ'ЯЗОК

• Запам'ятаємо: ковалентний зв'язок утворюється зазвичай між атомами неметалічних елементів.

Процес утворення ковалентного зв'язку може відбуватися по-різному. Розрізняють два основних механізми утворення цього зв'язку: обмінний і донорно-акцепторний.

Обмінний механізм ми розглянемо зараз, а донорно-акцепторний ви будете вивчати у старших класах. Існують два види ковалентного зв'язку: полярний і неполярний.

Для того щоби розібратися зі зв'язками, передусім варто згадати, що таке електронегативність.

Електронегативність (ЕН) — це сила, з якою атом притягує до себе електрони інших атомів.

Рис. 14. Ковалентний зв'язок

Ковалентний неполярний зв'язок

Розглянемо обмінний механізм утворення ковалентного неполярного зв'язку.

• Ковалентний неполярний зв'язок утворюється між атомами неметалічних елементів із приблизно однаковою електронегативністю.

Приклад

Елементами з приблизно однаковою електронегативністю прийнято вважати такі, у яких різниця значень електронегативності незначна: від 0 (однакові ЕН) до 0,4. Які ж речовини утворені атомами елементів з такою електронегативністю?

Підказка: Прості речовини H₂, O₂, O₃, Cl₂, а є ще S₈, Р₄.та інші. Це зрозуміло, адже до складу цих молекул входять однакові атоми, отже, і електронегативність у них однакова. Тепер візьмемо таблицю електронегативностей в кінці підручника.

Знайдіть елементи, в яких різниця електронегативностей незначна. Не забувайте, що ми шукаємо тільки неметалічні елементи. От, наприклад:

• С (ЕН дорівнює 2,5) і S (ЕН дорівнює 2,6);

• Н (ЕН дорівнює 2,1) і Р (ЕН дорівнює 2,1) — очевидно, у цих випадках зв'язок ковалентний неполярний.

Механізм утворення ковалентного неполярного зв'язку

Розглянемо, як і чому утворюється ковалентний неполярний зв'язок. Кожен атом, що бере участь в утворенні хімічного зв'язку, прагне завершити свій зовнішній рівень, тобто на зовнішньому рівні в нього має бути 8 електронів (октет). Винятком є Гідроген, у якого завершений перший рівень має 2 електрони.

Розглянемо утворення молекули водню. У кожного атома Гідрогену є неспарений електрон.

У випадку, якщо два атоми об'єднаються в молекулу, атоми матимуть можливість використовувати електрони один одного для завершення рівня.

Для початку атоми мають зіштовхнутися.

При цьому відбувається таке: електронна орбіталь одного атома притягується ядром іншого атома:

Рис. 15. Притягування електронної орбіталі ядром іншого атома

Атоми зближуються. Це зближення відбувається доти, поки не почнуть відштовхуватися ядра атомів і електронні оболонки.

Хімічний зв'язок утворюється, коли сили притягання й відштовхування між ядрами й електронними оболонками дорівнюватимуть одна одній.

Рис. 16. Утворення хімічного зв'язку

Неспарені електрони обох атомів утворюють спільну електронну пару, яка належить обом атомам. При цьому виникає спільна електронна орбіталь із найбільшою електронною густиною в між'ядерному просторі, що врівноважує відштовхування позитивно заряджених ядер.

Таким чином, утворення ковалентного неполярного зв'язку між атомами Гідрогену можна зобразити так:

Рис. 17. Утворення ковалентного неполярного зв'язку між атомами Гідрогену

Схематично показують ковалентний зв'язок двома крапками між атомами: Н : Н. Це електронна формула. Крапки тут позначають електрони, які беруть участь в утворенні зв'язку.

— Я зрозумів: електронні орбіталі обох атомів ніби змішались в одну велику хмару.

Але це зовсім не означає, що там замість крапок постійно перебувають два кругленьких електрончики. Просто між ядрами майже весь час є ділянка, в якій імовірність перебування цих електронів дуже висока.

Замість двох крапок можна намалювати одну риску — один зв'язок: Н - Н. Це структурна формула.

Зверніть увагу: умовою утворення ковалентного зв'язку є протилежна спрямованість спінів електронів!

Ділянка найбільшої електронної густини, утворена за перекривання електронних хмар, у цьому випадку не зміщена до жодного з атомів у молекулі тому, що в них однакова електронегативність.

Відповідно, ядра атомів з однаковою силою притягують до себе спільні електрони.

Це і є особливістю ковалентного неполярного зв'язку.

Механізм утворення зв'язку — обмінний, тому що атоми ніби обмінюються електронами.

Якщо провести між ядрами атомів вісь симетрії, то електронна густина буде розташовуватися саме на ній.

Рис. 18. Розподіл електронної густини в молекулі Н₂

Приклад

Розглянемо утворення молекули азоту. Три неспарені електрони на зовнішньому рівні атома Нітрогену утворюють спільні пари:

Якщо замінити кожну спільну пару електронів однією рискою, одержимо структурну формулу: N≡N

Завдання

Спробуйте самостійно розглянути утворення молекул фтору, хлору. Намалюйте електронну будову їх зовнішніх рівнів, укажіть спільні електронні пари, визначте, які електрони їх утворюють, а також запишіть електронні й структурні формули.

Зверніть увагу, що поняття валентність, яке ви вивчали в 7 класі, тут дістає підтвердження на електронному рівні. Кожний неспарений електрон утворює один зв'язок. Тому кількість неспарених електронів визначає кількість зв'язків — валентність: Гідроген, Хлор і Флуор, як ми бачимо, одновалентні, а Нітроген — трьохвалентний.

• Число неспарених електронів відповідає числу спільних електронних пар, дорівнює числу ковалентних зв'язків, дорівнює валентності атома в сполуці.

Ковалентний полярний зв'язок

• Ковалентний полярний зв'язок утворюється між неметалічними елементами з різною електронегативністю.

Приклад

Різниця електронегативностей атомів, які беруть участь в утворенні ковалентного полярного зв'язку, у цьому випадку приблизно дорівнює від 0,4 до 1,7. Пошукаємо в таблиці електронегативності (див. табл. 3 на с. 56) такі неметалічні елементи:

H (2,1) і Cl (2,83), різниця 2,83 - 2,1 = 0,7.

C (2,5) і F (4,1), різниця 4,1 - 2,5 = 1,6.

Н (2,1) і О (3,5), різниця 3,5 - 2,1 = 1,4.

Механізм утворення ковалентного полярного зв'язку подібний до механізму утворення ковалентного неполярного зв'язку, тільки загальна електронна густина буде зміщена до більш електронегативного елемента.

Розглянемо утворення молекули НСl.

Через те що електронегативності атомів різні, під час утворення цієї молекули електронна густина буде зміщена до атома Хлору, тому його атом матиме частково негативний заряд ⁽δ^-), а атом Гідрогену — частково позитивний ⁽δ⁺⁾. У такий спосіб утворюються два полюси «+» і «-», тому такий зв'язок називають ковалентним полярним.

Рис. 19. Ковалентний полярний зв'язок у молекулі HCl