3. Хімічний зв‘язок

Хімічний зв‘язок здійснюється спільною електронною парою, яка утворюється неспареними електронами взаємодіючих атомів.

Умовою виникнення хімічного зв‘язку є наявність у цих електронів антипаралельних спінів, тобто значень спінових квантових чисел m_s з протилежним знаком, а саме та .

Наприклад, неспарені s-електрони двох атомів гідрогену з антипаралельними спінами утворюють спільну електронну пару, тобто між атомами гідрогену виникає хімічний зв‘язок. Відстань між ядрами атомів в молекулі водню Н₂ (r) є меншою, ніж подвоєний радіус атомів гідрогену (2r₀).

H + H = H↑↓H

1s^↑ 1s^↓

Це свідчить про те, що, завдяки притяганню електронів одночасно до обох ядер взаємодіючих атомів, відбувається перекривання їх електронних хмар. В міжядерному просторі з’являється ділянка з підвищеною електронною густиною, тобто ділянка з підвищеною густиною негативного заряду, яка скріплює між собою позитивно заряджені ядра взаємодіючих атомів.

Для того, щоб визначити тип хімічного зв’язку, потрібно порівняти електронегативність елементів, між атомами яких виникає хімічний зв‘язок.

Електронегативність χ елемента характеризує здатність атомів елемента під час утворення хімічного зв‘язку притягувати до себе спільну електронну пару порівняно з атомами інших елементів.

Електронегативність елемента враховує і здатність його атомів віддавати електрони, характеристикою якої є енергія іонізації I, і здатність атомів приєднувати електрони, характеристикою якої є спорідненість до електрона Е. Електронегативність елемента дорівнює напівсумі енергії іонізації атомів та спорідненості атомів до електрона і вимірюється у кДж/моль:

На практиці користуються значеннями відносної електронегативності елементів. Електронегативність літію приймають за одиницю і порівнюють з нею електронегативності інших елементів. Величини відносної електронегативності елементів знаходяться в інтервалі значень від 0,7 до 4.

В періоді зі збільшенням заряда атомних ядер елементів здатність його атомів притягувати до себе електрони збільшується, отже, і електронегативність елементів зростає. В головних підгрупах у вказаному нижче стрілкою напрямку радіуси атомів збільшуються, тому здатність атомів притягувати до себе електрони послаблюється і електронегативність елементів зменшується.

Період: заряд ядра збільшується, χ зростає

В головних підгрупах:

радіус атомів збільшується,

χ зменшується.

Отже, флуор має найбільше значення електронегативності, тобто є найбільш електронегативним елементом. Найменші значення електронегативності у лужних металів.

Типи хімічного зв’язку

Якщо взаємодіють атоми елементів з однаковими значеннями електронегативності χ, то спільна електронна пара однаковою мірою належить обом атомам і зв’язок, що виникає між ними, називається ковалентним неполярним. Наприклад, зв’язок між атомами гідрогену та телуру є ковалентним неполярним, тому що χ(Н)=2,1 і χ(Те)=2,1.

Якщо електронегативність одного елемента є більшою за електронегативність іншого елемента, але різниця їх значень не перевищує 2 (χ ≤ 2), то при утворенні зв’язку спільна електронна пара частково (менш ніж на 50%) зміщується до атома більш електронегативного елемента. Такий тип хімічного зв’язку називається ковалентним полярним.

Внаслідок зміщення електронної пари на атомі більш електронегативного елемента виникає нецілочисельний негативний заряд (-), а на атомі менш електронегативного елемента – позитивний (+). Ці електричні заряди мають назву ефективних.

Чим більшою є різниця електронегативностей елементів χ, тим більшим є ступінь зміщення спільної електронної пари, тобто більш полярним є зв’язок між атомами цих елементів. Тому на атомах виникають більші за своїм абсолютним значенням ефективні заряди.

Наприклад, в молекулі НІ різниця електронегативностей елементів дорівнює: χ = χ(І) – χ (Н) = 2,5 – 21 = 0,4; спільна електронна пара зміщується до атома І на 5%. На атомі гідрогену виникає ефективний заряд “+0,05”, а на атомі І – “–0,05” абсолютного заряду електрона. А в молекулі НCl (χ = χ(Cl) – χ(H) = 3–2,1 = 0,9) ступінь зміщення електронної пари складає 17% і на атомі Н та Cl виникають ефективні заряди, які дорівнюють відповідно “+0,17” та “–0,17” абсолютного заряду електрона.

Якщо електронегативність одного елемента набагато більша за електронегативність іншого елемента (χ>2), то спільна електронна пара більш ніж на 50% зміщується до атома більш електронегативного елемента. Такий тип хімічного зв’язку називається йонним. Отже, йонний зв’язок виникає між атомами тих елементів, які значно відрізняються за своєю електронегативністю, тобто між атомами типових металів та атомами типових неметалів. До типових металів належать лужні та лужно-земельні метали, а до типових неметалів – галогени (F, Cl, Br, I) та оксиген. Наприклад, різниця електронегативностей натрію та хлору дорівнює:

χ = χ(Cl) – χ(Na) = 3 – 0,9 = 2,1.

Між цими атомами виникає йонний зв`язок: електронна пара зміщується до атома хлору на 80% і на атомах натрію та хлору виникають ефективні заряди, які дорівнюють відповідно “+0,8” та “–0,8” абсолютного заряду електрона.

Йонний зв’язок слід розглядати як граничний випадок ковалентного полярного зв’язку, коли спільна електронна пара настільки зміщена до одного з атомів, що практично належить тільки цьому атому.