5.3. Природа и механизм образования ковалентной связи
Г. Льюис1 первым выдвинул гипотезу о природе ковалентной2 связи в 1916 г., предположив, что такая связь между двумя атомами образуется вследствие появления между ними общей пары электронов, для образования которой каждый атом выделяет по одному неспаренному электрону. Например, образование молекулы F2, по мнению Льюиса, вызвано обобществлением неспаренных электронов и образованием вокруг каждого из связанных атомов стабильного электронного октета – восьмиэлектронной оболочки благородного газа неона.
Пару электронов между атомами впоследствии стали изображать соединительной чертой, называемой валентным штрихом (например, F–F, Н–Н, I–Вr).
При образовании ковалентной связи между одинаковыми атомами общая пара электронов одинаково удалена от их ядер. Такая ковалентная связь называется симметричной неполярной. Она осуществляется в молекулах типа А2: Н2, N2, О2, F2. При образовании ковалентной связи между атомами разных элементов общая электронная пара может быть смещена в сторону одного из них. Такая ковалентная связь называется несимметричной, полярной. В качестве примера такой связи можно рассмотреть молекулу НF. Относительная электроотрицательность атома водорода равна 2,1, а атома фтора – 4. Так как электроотрицательность характеризует способность атома оттягивать электронную плотность, то общая электронная пара НF будет сдвинута к атому фтора. Таким образом, на «конце» молекулы со стороны атома фтора будет находиться больше отрицательного заряда (эффективный отрицательный заряд –δ), чем находится на другом «конце» молекулы положительного заряда (эффективный положительный заряд +δ).
Эффективный заряд – это безразмерная величина, определяемая отношением фактического заряда атома к заряду электрона. Для молекулы НF: +δ = +0,43; –δ = –0,43.
Для молекулы NаСl (в газообразном состоянии хлорида натрия): +δ = +0,87; –δ = –0,87. Это говорит о том, что общая электронная пара достаточно сильно сдвинута к атому хлора. В этом случае условно полагают, что атом хлора отдаёт один электрон, а атом натрия – принимает. Такая химическая связь называется ионной.
На самом деле все химические связи являются ионно-ковалентными. Так, δ = 0,87 говорит о том, что связь, образующаяся между атомами Nа и С1 является на 87 % ионной и на 13 % ковалентной связью.
На основе гипотезы Г.Льюиса была разработана теория химической связи – метод валентных связей (метод ВС). Эта теория охватывает все молекулы простых и сложных веществ, а также твёрдые вещества с атомной кристаллической решёткой (алмаз, карборунд или карбид кремния SiС).
Проекция атомной кристаллической решётки
(атомы связаны друг с другом ковалентными связями)
Метод ВС позволяет различать три механизма образования ковалентной связи: обменный, донорно-акцепторный и дативный.
Обменный механизм образования ковалентной связи – те случаи образования химической связи, когда каждый из связываемых атомов А и В выделяет для создания общей пары по электрону, как бы обмениваясь ими. Поэтому для связывания ядер двух атомов необходимо, чтобы электроны бόльшую часть своего времени находились в пространстве между ними (область связывания – это область наиболее вероятного пребывания электронов в молекуле). Вне области связывания равнодействующая всех сил будет способствовать разъединению атомов и препятствовать образованию химической связи (разрыхляющая область).