Розділ 4. ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК

Наведено сучасні уявлення про різні види хімічного зв’язку: іонного, ковалентного, водневого, донорно-акцепторного, металевого. Розглянуто просторову будову молекул, гібридизацію електронних хмар та основні кількісні характеристики хімічного зв’язку.

Хімічний зв’язок – це взаємодія атомів, що обумовлена перекриванням електронних хмар зв’язаних частинок. Він супроводжується зменшенням повної енергії системи. Природа і властивості хімічного зв’язку знаходяться серед найважливіших питань теоретичної хімії: властивості молекул, їх реакційна здатність у значній мірі залежать від типу й міцності хімічного зв’язку між атомами у молекулі.

Природа хімічного зв’язку електрична: зв’язок здійснюється узагальненими електронами. Хімічний зв’язок розподіляється на типи: іонний, ковалентний, донорно-акцепторний, водневий, металевий. Тип хімічного зв’язку залежить від ступеня узагальнення електронів, способу утворення загальних пар електронів і положення електронних хмар валентних електронів по відношенню до зв’язаних атомів.

4.1. Загальні уявлення про хімічний зв'язок

З метою виявлення суті процесу утворення хімічного зв’язку слід скористатися найпростішими прикладами, а саме: розглянути утворення молекул Н₂ і N₂.

Утворення іонного та ковалентного зв’язку відбувається шляхом поєднання двох неспарених електронів (по одному від кожного атома), що з’єднуються в загальну електронну пару (поділену пару):

. .

Н· + Н· → Н : Н : N· + ·N : → : N N :

˙ ˙

Поділені пари електронів

Хімічний зв’язок називається іонним або ковалентним (полярним або неполярним) у залежності від положення електронної хмари, утвореної поділеною парою, відносно об’єднаних атомів. Електронна хмара відтягується у бік атома з більшим значенням електронегативності ( ).

Для кращого засвоювання і запам’ятовування понять ковалентний неполярний, ковалентний полярний та іонний зв’язки скористуємося такою схемою: зміщення електронної хмари позначимо зсувом електронної пари до одного з атомів (А або В).

А : В А⁺ → : В^¯ А → : В

~ _{В А} << _{В А} < _В

Ковалентний Іонний Ковалентний

неполярний зв’язок зв’язок полярний зв’язок

Т аким чином, при ковалентному неполярному зв’язку електронна хмара неподіленої пари однаково належить обом атомам, при ковалентному полярному – зміщена в бік більш електронегативного атома, а при іонному – повністю зміщена у бік більш електронегативного атома. У результаті цього атом А втрачає електрон і перетворюється в позитивно заряджений іон, а атом В отримує електрон та перетворюється у негативно заряджений іон.

Донорно-акцепторний і водневий зв’язки відрізняються від розглянутих вище типів хімічного зв’язку способом утворення поділеної пари електронів. При утворенні донорно-акцепторного і водневого зв’язків поділена пара поставляється на зв’язок у готовому вигляді одним з об'єднуючих атомів (донором). Другий атом (акцептор) приймає цю пару електронів на свої вільні орбіталі. Різниця між донорно-акцепторним та водневим зв’язками полягає у природі акцептора: акцептором у першому випадку є позитивний іон металу або Гідрогену, а в другому – атом Гідрогену, який входить до складу полярної молекули.

Металевий зв’язок здійснюється шляхом узагальнення валентних електронів великої кількості атомів металу, що знаходяться у вузлах кристалічної гратки.

Найбільш універсальний тип хімічного зв’язку – ковалентний полярний, тому що він зустрічається в більшості неорганічних і органічних сполук. Ковалентний неполярний та іонний зв’язки можна розглядати як граничні випадки ковалентного полярного зв’язку.

4.2. Іонний зв’язок

Іонний зв’язок утворюється при практично повному зміщенні електронної хмари поділеної пари електронів до більш електронегативного атома. Це рівнозначно передаванню електрона одним атомом іншому. Розглянемо утворення іонного зв’язку на прикладі LiF.

Для більш повного розуміння процесу утворення іонного зв’язку його розгляд треба почати із складання електронних формул атомів, потім електрони зовнішнього рівня позначають крапками. З електронних формул видно, що у Літія один електрон, а у Флуора – сім: три пари й один неспарений.

Таким чином, при зміщенні електрона від Літію до Флуору утворюються

іони Li⁺ і F^¯. Зв’язок здійснюється шляхом електростатичного притягання протилежно заряджених іонів. Німецький вчений Коссель у 1916 р. припустив, що атоми шляхом приєднання або втрати електронів прагнуть придбати електронну конфігурацію найближчого інертного газу. Так, у наведеному вище прикладі Літій набуває електронну конфігурацію Гелію, а Флуор – Неону. Припущення Коcселя в багатьох випадках справедливе.

Заряд іона, який визначається кількістю приєднаних або втрачених електронів, при іонному типу зв’язку може бути позитивним або негативним: Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Cl^–, S^2– і т.п.

Сучасна теорія кристалічного поля є розвитком теорії іонного зв’язку. Суть її полягає в опису зміни енергії зовнішніх орбіталей даного іона під впливом електричного поля, утвореного зарядами оточуючих іонів.