1.5. Хімічний зв'язок

Сили, що утримують атоми в молекулах, називаються хімічними зв'язками. Утворення хімічних зв'язків відбувається, якщо це супроводжується виграшем енергії, яка виникає, ко­ли кожний атом, що утворює хімічний зв'язок, одержує стійку електронну конфігурацію. За способом утворення та існування хімічні зв'язки можуть бути ковалентними (неполярний, полярний, координаційний), іонними, металічними і водневими.

Гордієнко О. (наступні 10 сторінок)

1.5.1. Ковалентний хімічний зв'язок

Розглянемо, як утворюється одна з найпростіших молекул — молекула водню Н₂. Атом Гідрогену має єдиний електрон на першому енергетичному рівні, тому стійким станом для нього може бути Н+ (взагалі немає електронів) або Н^- (два електрони на валентному рівні). Але і в тому, і в іншому випадках іони Гідрогену через взаємне відштовхування не здатні утворити молекулу. А два нейтральні атоми можуть об'єднати свої електрони в електронну пару, яка буде належати одночасно обом атомам. Ця пара електронів повинна утримувати атоми Гідрогену один біля одного і таким чином здійснювати хімічний зв'язок між ними.

Хімічний зв'язок, що здійснюється через об'єднання двох електронів, називається кова­лентним хімічним зв'язком.

Ковалентний хімічний зв'язок зображується або за допомогою риски між атомами (Н—Н), або у вигляді двох крапок, що зображують об'єднану електронну пару (Н:Н). Для інших елементів, у яких стійка електронна конфігурація включає 8 електронів, ковалентний зв'язок відображається таким чином:

:б: + :б: ^ Ь О=О,

• • \

асі: + :Сі: ^ і: С1—С1,

Ковалентні зв'язки класифікують за способом перекривання електронних орбіталей, за числом загальних електронних пар, а також за зміщенням їх до одного зі зв'язаних атомів.

За способом перекривання електронних орбіталей розрізняють о- та п-зв'язки (сигма- та пі-).

о<і>о

о-зв'язок

У молекулі Нітрогену одна спільна електронна пара утворюється за рахунок о-зв'язку (електронна густина розміщена в одній зоні, що розташовується на лінії, яка з'єднує ядра атомів, міцний зв'язок).

Р-Р

п-зв язок

Дві інші спільні електронні пари утворюються за рахунок п-зв'язків, тобто бокового пере­кривання р-орбіталей у двох зонах; п-зв'язок міцніший за о-зв'язок.

п

У молекулі Нітрогену між атомами існує один ст-зв'язок і два п-зв'язки, які розташовані в перпендикулярних площинах (взаємодіють 3 неспарених р-електрони кожного атома).

Отже, ст-зв'язки можуть утворюватися за рахунок перекривання таких електронних орбіталей: 8-8 (Н₂), з-р (НС1), з-зр³ (СН₄), зр²-зр² (С₂Н₄) тощо.

За числом загальних електронних пар, що зв'язують атоми, тобто за кратністю, розрізня­ють ковалентні зв'язки:

п ст

N

N-

1) Одинарні: н2

СН4

н І

н-с-н; І

н

метан

Н—Н

водень

• подвійні:

СО2

О=С=О

карбон (IV) оксид

• потрійні:

N2

^С2^Н4

ЩС=СН2;

етилен

^С2^Н2 НС^СН.

ацетилен

азот

За ступенем зміщення спільних електронних пар до одного зі зв'язаних ним атомів кова­лентний зв'язок може бути полярним або неполярним.

Неполярний ковалентний зв'язок

Ковалентний зв'язок, який утворюється між атомами з однаковою електронегативністю, називають неполярним.

Електрони, що утворюють хімічні зв'язки в молекулах простих речовин, однаково можуть знаходитися як біля одного, так і біля іншого атомів, тому що атоми мають однакову електро- негативність (єН) — властивість відтягувати до себе валентні електрони від інших атомів.

Наприклад:

•• ••

Н₂ або Н : Н С1₂ або :С1: СІ*. N або ^ * * N

•• «і

Тобто за допомогою ковалентного неполярного зв'язку утворилися молекули простих ре- човин-неметалів.

Полярний ковалентний зв'язок

Ковалентний хімічний зв'язок, який утворюється між атомами елементів з різною електро- негативністю, називається полярним.

Якщо ковалентний зв'язок утворюється між атомами різних елементів, то електронна гус­тина, що утворює зв'язок, стає несиметричною. Це відбувається через те, що ядра атомів різ­них елементів з різною силою притягують валентні електрони (відомо, що вони мають різну електронегативність).

Так, електронна густина, що утворює ковалентний зв'язок у молекулі НС1

н сі, (н©

має більшу густину біля атома Хлору, на якому таким чином виникає частковий (менше ніж +1) негативний заряд 8^-, на атомі Гідрогену при цьому виникає такий самий частковий позитивний заряд, тобто ковалентний зв'язок, що виникає між атомами Гідрогену і Хлору в молекулі хлороводню, є полярним. Ковалентний неполярний зв'язок можна характеризу­вати довжиною, яка визначається відстанню між ядрами атомів, які утворили такий зв'язок. При цьому чим сильніше електронна хмара зміщена до одного з атомів, тим полярніший зв'язок між ними.

У багатоатомних молекулах виявляється ще одна особливість ковалентного зв'язку — його просторова спрямованість. Розглянемо молекулу води:

Оскільки атом Оксигену утворює ковалентні зв'язки з атомами Гідрогену за рахунок електронів, що розміщені на р-орбіталях, а кут між р-орбіталями дорівнює 90 °, то і кут між ковалентними зв'язками повинен бути 90 °. Насправді через взаємне відштовхування атомів Гідрогену він дорівнює 105 °. Однак важливим у цьому питанні є те, що кути між двома ко­валентними зв'язками мають чітко визначену величину.

Під час утворення ковалентного зв'язку виділяється певна кількість енергії. Якщо на будь- який ковалентний зв'язок подіяти тією кількістю енергії, що виділяється при його утворенні, то відбудеться розрив зв'язку. Енергія, що виділяється при утворенні ковалентного зв'язку, або та, що необхідна для його розриву, називається енергією ковалентного зв'язку.

Отже, ковалентний зв'язок характеризується відповідними значеннями енергії, довжиною, полярністю та валентним кутом.