6)

Ковалентная связь[covalent bond] — межатомная связь, обусловленная коллективизацией внешних электронов взаимодействующих атомов. Для ковалентной связи характерны насыщенность и направленность. Насыщенность проявляется в том, что в ковалентную связь вступает такое число атомов, чтобы обеспечить полностью заполненную ns²np⁶ электронную структуру. Направленность связи заключается в усилении плотности электронного облака в направлении, связывающем центры атомов;

Простая связь, ординарная связь, одинарная связь - химическая ковалентная связь, осуществляемая парой электронов (с антипараллельной ориентацией спинов), движущихся в поле 2 атомных ядер. Например, в молекулах H2, Cl2 и HCl имеется по одной ковалентной связи, образованной взаимодействием неспаренных электронов (находившихся на атомных орбиталях 1s—1s, 3р—3р и 1s—3р соответственно). Поскольку эти молекулы двухатомны, химические связи в них двухцентровые. Для указанных молекул можно написать следующие электронные и структурные формулы: Н: Н и Н—Н, Cl: Cl и Cl—Cl, H: Cl и Н—Cl [две точки и валентный штрих (чёрточка) обозначают пару электронов, общую для обоих соединившихся атомов].

Аналогичное описание справедливо для молекул всех насыщенных соединений, у которых число пар валентных электронов равно числу возможных двухцентровых взаимодействий. В таких соединениях все химические связи являются простыми связями (с кратностью, равной единице). Пара электронов простой связи в равной степени может иметь и донорно-акцепторное происхождение. Поэтому, например, изоэлектронные молекула CH4 и ионы и могут быть описаны однотипной структурной формулой

(где Х = В-, С и N+ соответственно).

В химических соединениях, в которых среднее число электронов, связывающих каждую пару атомных ядер, не равно двум, могут возникнуть химические связи самой различной кратности — как меньше единицы (соединения с дефицитом электронов), так и больше единицы (соединения с кратными связями). В этих случаях описание электронного строения молекул обычно требует привлечения наиболее общего метода квантовой химии — молекулярных орбиталей метода.

Связи σ и π. Одинарные и кратные связи

Два атома между собой могут образовывать и кратные связи, то есть двойные и тройные. При этом составляющая, образующаяся первой, всегда будет σ-связью (обладает наибольшей прочностью и определяет геометрическую форму молекулы).Вторая и третья составляющие называются π-связями, они образуются при боковом перекрывании любых орбиталей, кроме s-орбиталей:

Например, 2p-орбитали двух атомов углерода могут сформировать между собой одинарную, двойную и тройную связи. В первом случае образуется остов молекулы этана C₂H₆.

При двойном связывании атомов углерода первые 2p-орбитали создают σ-связь, а вторые - π-связь; в этом случае образуется остов молекулы этилена C₂H₄.

При тройном связывании (одна σ-связь, две π-связи) образуется остов молекулы ацетилена C₂H₂.

Часто именно этим объясняется химическая инертность веществ - таких, как азот N₂ (:N≡N:) и диоксид углерода CO₂ (O=C=O).

Примеры частиц с кратными связями - это также молекулы SO₃, SO₂, NO₂ и анионы CO₃²⁻, SO₄²⁻, SO₃²⁻

7)

Длина химической связи

При образовании химической связи всегда происходит сближение атомов - расстояние между ними меньше, чем сумма радиусов изолированных атомов:

r(A−B) < r(A) + r(B)

Радиус атома водорода составляет 53 пм, атома фтора − 71 пм, а расстояние между ядрами атомов в молекуле HF равно 92 пм:

Межъядерное расстояние между химически связанными атомами называется длиной химической связи.

Во многих случаях длину связи между атомами в молекуле вещества можно предсказать, зная расстояния между этими атомами в других химических веществах. Длина связи между атомами углерода в алмазе равна 154 пм, между атомами галогена в молекуле хлора - 199 пм. Полусумма расстояний между атомами углерода и хлора, рассчитанная из этих данных, составляет 177 пм, что совпадает с экспериментально измеренной длиной связи в молекуле CCl₄. В то же время это выполняется не всегда. Например, расстояние между атомами водорода и брома в двухатомных молекулах составляет 74 и 228 пм, соответственно. Среднее арифметическое этих чисел составляет 151 пм, однако реальное расстояние между атомами в молекуле бромоводорода равно 141 пм, то есть заметно меньше.

Расстояние между атомами существенно уменьшается при образовании кратных связей. Чем выше кратность связи, тем короче межатомное расстояние.

Длины некоторых простых и кратных связей

Связь	Длина (пм)	Связь	Длина (пм)
С−С	154	С−О	143
С=С	133	С=О	123
С≡С	131	С≡O	113

Энергия ковалентной связи

Химическое соединение образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно. Если силы притяжения преобладают над силами отталкивания, потенциальная энергия взаимодействующих атомов понижается, в противном случае − повышается. На некотором расстоянии (равном длине связи r₀) эта энергия минимальна.

Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения. При наличии нескольких одинаковых связей (например, для молекулы воды, содержащей две связи кислород−водород) их энергию можно рассчитать, используя закон Гесса.

Чем выше энергия химической связи, тем прочнее связь. Связь считается прочной, или сильной, если ее энергия превышает 500 кДж/моль (например, 942 кДж/моль для N₂), слабой - если ее энергия меньше 100 кДж/моль (например, 69 кДж/моль для NO₂). Если при взаимодействии атомов выделяется энергия менее 15 кДж/моль, то считают, что химическая связь не образуется, а наблюдается межмолекулярное взаимодействие (например, 2 кДж/моль для Xe₂). Прочность связи обычно уменьшается с увеличением ее длины.

Одинарная связь всегда слабее, чем кратные связи - двойная и тройная - между теми же атомами.