Между атомите може да има ковалентни връзки. Ковалентна връзка (CC)

Идеята за образуване на химическа връзка с помощта на двойка електрони, принадлежащи към двата свързващи атома, е представена през 1916 г. от американския физик и химик Дж. Луис.

Между атомите в молекулите и кристалите съществува ковалентна връзка. Той се среща както между едни и същи атоми (например в молекулите на H 2, Cl 2, O 2, в диамантен кристал), така и между различни атоми (например в молекулите на H 2 O и NH 3, в Кристали SiC). Почти всички връзки в молекулите на органичните съединения са ковалентни (C-C, C-H, C-N и др.).

Има два механизма за образуване на ковалентна връзка:

1) обмен;

2) донор-акцептор.

Обменният механизъм за образуване на ковалентна връзкасе състои във факта, че всеки от свързващите атоми осигурява един недвоен електрон за образуването на обща електронна двойка (връзка). Тогава електроните на взаимодействащите атоми трябва да имат противоположни завъртания.

Помислете например за образуването на ковалентна връзка в молекула водород. Когато водородните атоми се приближават един до друг, техните електронни облаци проникват един в друг, което се нарича припокриване на електронни облаци (фиг. 3.2), електронната плътност между ядрата се увеличава. Ядрата се привличат едно към друго. В резултат на това енергията на системата се намалява. При много силен подход на атомите отблъскването на ядрата се увеличава. Следователно има оптимално разстояние между ядрата (дължина на връзката l), на което системата има минимална енергия. В това състояние се отделя енергия, наречена свързваща енергия E St.

Ориз. 3.2. Диаграма на припокриване на електронни облаци по време на образуването на молекула водород

Схематично образуването на водородна молекула от атоми може да бъде представено по следния начин (точка означава електрон, линия означава двойка електрони):

H + H → H: H или H + H → H - N.

По принцип за молекулите на АВ на други вещества:

A + B = A: B.

Донорно-акцепторен механизъм за образуване на ковалентна връзкасе крие във факта, че една частица - донорът - представя електронна двойка за образуване на връзка, а втората - акцептор - свободна орбитала:

A: + B = A: B.

донор акцептор

Нека разгледаме механизмите на образуване на химични връзки в молекулата на амоняка и амониевия йон.

1. Образование

Азотният атом има отвън енергийно ниводва сдвоени и три несдвоени електрона:

Водородният атом на s -поднивото има един недвоен електрон.

В молекулата на амоняка неспарените 2р - електрони на азотния атом образуват три електронни двойки с електрони от 3 водородни атома:

В молекулата NH 3, 3 ковалентни връзки се образуват чрез обменния механизъм.

2. Образуване на сложен йон - амониев йон.

NH3 + HCl = NH4Cl или NH3 + H + = NH4 +

Азотният атом има несподелена двойка електрони, тоест два електрона с антипаралелни завъртания в една атомна орбитала. Атомната орбитала на водородния йон не съдържа електрони (свободна орбитала). Когато амонячната молекула и водородният йон се доближат, самотната двойка електрони на азотния атом и свободната орбитала на водородния йон си взаимодействат. Възниква несподелена двойка електрони, характерна за азотните и водородните атоми химическа връзкачрез донор - акцепторен механизъм. Азотният атом на молекулата на амоняка е донорът, а водородният йон е акцепторът:

Трябва да се отбележи, че в NH 4 + йона и четирите връзки са еквивалентни и неразличими, следователно зарядът в йона е делокализиран (разпръснат) в целия комплекс.

Разгледаните примери показват, че способността на атома да образува ковалентни връзки се дължи не само на едноелектронни, но и на 2-електронни облаци или наличието на свободни орбитали.

Чрез донорно -акцепторния механизъм връзките се образуват в сложни съединения: -; 2+; 2- и т.н.

Ковалентната връзка има следните свойства:

- насищане;

- фокус;

- полярност и поляризация.

KS- връзка, осъществена поради електронна двойка, принадлежаща на двата атома.

Условия за формирането на КС: образува се между атоми с висока електроотрицателност. (електрони - способността на атомите да привличат електрони към себе си).

∆Χ е разликата в електроотрицателността на 2 атома, ако ∆Χ≤1,4, връзката е полярна

KS m. образуван:

1 -между всички атоми на неметали (тъй като всички неметали) високи стойностиелектричество), pr: HCl, стойностите на електричеството са според таблиците, за H = 2.1, за Cl = 3.1, - ∆Χ = 3.1-2.1 = 1≤1.4, това е ковалентна и полярна връзка.

2 - между атомите на неметал и метал, ако металът е вътре висока степенокисление, pr: CrCl6 за Cr = 2.4, ∆Χ = 3.1-2.4 = 0.7≤1.4 е ковалентна полярна връзка.

Механизми на образуване на CS:

1- механизъм за обмен- 2 атома обменят електрони, образувайки обща електронна двойка, принадлежаща на двамата и наречена "споделена". Пример за това са молекулите на летливите вещества неорганични съединения: HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3 и др. Образуването на молекулата на HCl може да бъде представено по схемата Н +. Сl: = Н: Cl: Електронната двойка се измества към хлорния атом, тъй като относителната електроотрицателност на хлорния атом (2.83) е по -голяма от тази на водородния атом (2.1).

2 - донорно -акцепторен механизъм: - се крие във факта, че двойка електрони от един атом (донор) заема свободна орбитала на друг атом (акцептор). Разгледайте като пример механизма на образуване на амониев йон. В молекулата на амоняка азотният атом има самотна двойка електрони, двуелектронен облак) :.

Водородният йон има свободна (незапълнена) 1s-орбитала, която може да бъде означена като □ H +. Когато се образува амониев йон, двуелектронният облак от азот става общ за азотните и водородните атоми, т.е. се превръща в молекулен електронен облак. Това означава, че възниква четвъртата ковалентна връзка. Образуването на амониев йон може да бъде представено с диаграмата

+ □ H + →

Зарядът на водородния йон става общ (той е делокализиран, т.е.разпръснат сред всички атоми), а двуелектронният облак (самотна електронна двойка), принадлежащ на азота, става общ с водорода.

Ковалентната връзка е полярна (сложни молекули) и неполярна (прости молекули).

Свойства на ковалентна връзка

Ковалентната връзка има редица важни свойства. Те включват насищане и фокус.

Насищане - характерно свойствоковалентна връзка. Тя се проявява в способността на атомите да образуват ограничен брой ковалентни връзки. Това се дължи на факта, че една орбитала на атом може да участва в образуването само на една ковалентна химическа връзка. Това свойство определя състава на молекулярните химични съединения. Така че, когато водородните атоми взаимодействат, се образува молекулата Н 2, а не Н 3. Третият водороден атом не може да се присъедини, тъй като спинът на неговия електрон ще бъде успореден на спина на един от сдвоените електрони в молекулата. Възможността за образуване на един или друг брой ковалентни връзки в атомите на различни елементи е ограничена чрез получаване на максимален брой несдвоени валентни електрони.

Съсредоточете се- свойство на ковалентна връзка, което определя геометричната структура на молекулата. Причината за насочеността на връзката е, че припокриването на електронните орбитали е възможно само ако те имат определена взаимна ориентация, която осигурява най -високата електронна плътност в областта на тяхното припокриване. В този случай се образува най -силната химическа връзка.

Ковалентната връзка е връзка, която най-често свързва атомите на неметали в молекули и кристали. Говорим за какъв вид химическа връзка се нарича ковалентна в тази статия.

Какво е ковалентна химическа връзка?

Ковалентна химическа връзка е връзка, осъществена чрез образуване на общи (свързващи) електронни двойки.

Ако има една обща електронна двойка между два атома, тогава такава връзка се нарича единична (обикновена), ако две - двойна, ако три - тройна.

Връзката обикновено се обозначава с хоризонтална линия между атомите. Например, в молекулата на водород има единична връзка: Н-Н; в кислородната молекула има двойна връзка: О = О; в азотната молекула има тройна връзка:

Ориз. 1. Тройна връзка в азотната молекула.

Колкото по -голяма е множеството на връзката, толкова по -силна е молекулата: наличието на тройна връзка обяснява високата химическа стабилност на азотните молекули.

Образуване и видове ковалентни връзки

Има два механизма за образуване на ковалентна връзка: обменният механизъм и донорно-акцепторния механизъм:

• механизъм за обмен... В обменния механизъм за образуване на обща електронна двойка два свързващи атома осигуряват по един недвоен електрон. Точно това се случва, например, когато се образува молекула водород.

Ориз. 2. Образуване на молекула водород.

Обща електронна двойка принадлежи на всеки от свързаните атоми, тоест тяхната електронна обвивка е пълна.

• донорно-акцепторен механизъм... В донорно-акцепторния механизъм обща електронна двойка е представена от един от свързващите атоми, този, който е по-електроотрицателен. Вторият атом представлява свободна орбитала за обща електронна двойка.

Ориз. 3. Образуване на амониев йон.

Така се образува амониевият йон NH 4 +. Този положително зареден йон (катион) се образува, когато амонячният газ взаимодейства с всяка киселина. В кисел разтвор има водородни катиони (протони), които във водородна среда образуват хидрониевия катион H 3 O +. Формулата за амоняк NH 3: молекулата се състои от един азотен атом и три водородни атома, свързани чрез единични ковалентни връзки чрез обменния механизъм. Азотният атом остава с една самотна електронна двойка. Той го предоставя като общ, като донор, на водородния йон Н +, който има свободна орбитала.

Ковалентна химическа връзка в химикалиможе да бъде полярна и неполярна. Една връзка няма диполен момент, тоест полярност, ако два атома от един и същ елемент са свързани, със същата стойност на електроотрицателност. И така, в молекулата на водорода връзката е неполярна.

В молекулата на хлороводород HCl атомите с различна електроотрицателност са свързани чрез ковалентна единична връзка. Общата електронна двойка се оказва изместена към хлор, който има по -висок афинитет към електроните и електроотрицателност. Възниква диполен момент, връзката става полярна. В този случай настъпва частично разделяне на заряда: водородният атом става положителния край на дипола, а хлорният атом става отрицателен.

Всяка ковалентна връзка има следните характеристики: енергия, дължина, кратност, полярност, поляризуемост, насищане, посока в пространството

Какво научихме?

Ковалентна химическа връзка се образува чрез припокриване на двойка валентни електронни облаци. Този тип връзка може да се образува от донорно-акцепторния механизъм, както и от обменния механизъм. Ковалентната връзка е полярна и неполярна и се характеризира с наличието на дължина, множественост, полярност, насоченост в пространството.

Тест по тема

Оценка на доклада

Среден рейтинг: 4.2. Общо получени оценки: 164.

Както вече беше споменато, обща електронна двойка, която осъществява ковалентна връзка, може да се образува поради неспарени електрони, присъстващи в невъзбудени взаимодействащи атоми. Това се случва например по време на образуването на молекули като H2, HC1, Cl2. Тук всеки от атомите има един недвоен електрон; когато два такива атома си взаимодействат, се създава обща електронна двойка - възниква ковалентна връзка.

В невъзбуден азотен атом има три несдвоени електрона:

Следователно, поради несдвоени електрони, азотният атом може да участва в образуването на три ковалентни връзки. Това се случва например в молекули N 2 или NH 3, в които ковалентността на азота е 3.

Броят на ковалентните връзки обаче може да бъде повече числанесдвоени електрони на невъзбуден атом. Така че, в нормално състояние, външният електронен слой на въглероден атом има структура, която е изобразена на диаграмата:

Поради наличните несдвоени електрони, въглеродният атом може да образува две ковалентни връзки. Междувременно въглеродът се характеризира със съединения, при които всеки от неговите атоми е свързан със съседни атоми чрез четири ковалентни връзки (например CO 2, CH 4 и т.н.). Това се оказва възможно поради факта, че с изразходването на известна енергия един от 2x-електроните, присъстващи в атома, може да бъде прехвърлен на поднивото 2 Rв резултат на това атомът преминава в възбудено състояние и броят на несдвоените електрони се увеличава. Такъв процес на възбуждане, придружен от "парата" на електрони, може да бъде представен от следната диаграма, в която възбуденото състояние е маркирано със звездичка при символа на елемента:

Сега във външния електронен слой на въглеродния атом има четири несдвоени електрона; следователно, един възбуден въглероден атом може да участва в образуването на четири ковалентни връзки. В този случай увеличаването на броя на създадените ковалентни връзки е придружено от освобождаване на повече енергия, отколкото се изразходва за прехвърляне на атом в възбудено състояние.

Ако възбуждането на атом, водещо до увеличаване на броя на несдвоените електрони, е свързано с много големи разходи на енергия, тогава тези разходи не се компенсират от енергията на образуване на нови връзки; тогава такъв процес като цяло се оказва енергийно неблагоприятен. По този начин кислородните и флуорните атоми нямат свободни орбитали във външния електронен слой:

Тук увеличаването на броя на несдвоените електрони е възможно само чрез прехвърляне на един от електроните на следващото енергийно ниво, т.е. в състояние 3s.Такъв преход обаче е свързан с много голям разход на енергия, който не се покрива от енергията, отделена при възникване на нови връзки. Следователно, поради несдвоени електрони, кислородният атом може да образува не повече от две ковалентни връзки, а флуорният атом - само един. Всъщност тези елементи се характеризират с постоянна ковалентност, равна на две за кислорода и една за флуора.

Атомите на елементите от третия и следващите периоди имат "i-подниво във външния електронен слой, към което при възбуждане могат да преминат с-и р-електрони на външния слой. Следователно тук се появяват допълнителни възможности за увеличаване на броя на несдвоените електрони. И така, хлорен атом, който има един недвоен електрон в невъзбудено състояние

могат да бъдат преобразувани за сметка на известна енергия в възбудени състояния (SR), характеризиращи се с три, пет или седем несдвоени електрона:

Следователно, за разлика от флуорния атом, хлорният атом може да участва в образуването не само на една, но и на три, пет или седем ковалентни връзки. Така че, в хлорна киселина HClO 2, ковалентността на хлора е три, в хлорна киселина HClO 3 - пет, а в хлорна киселина HClO 4 - седем. По същия начин, серен атом, който също има незаето ниво 3bCio, може да премине в възбудени състояния с четири или шест неспарени електрона и следователно да участва в образуването не само на две, както в кислорода, но и на четири или шест ковалентни връзки. Това може да обясни съществуването на съединения, в които сярата проявява ковалентност равна на четири (SO 2, SCl 4) или шест (SF 6).

В много случаи ковалентните връзки възникват и поради сдвоени електрони, присъстващи във външния електронен слой на атома. Помислете например за електронната структура на молекулата на амоняк:

Тук точките представляват електроните, които първоначално принадлежаха на азотния атом, а кръстоските - тези, които принадлежаха на водородните атоми. От осемте външни електрона на азотния атом, шест образуват три ковалентни връзки и са общи за азотния атом и водородните атоми. Но два електрона принадлежат само на азота и формата самотна електронна двойка.Такава двойка електрони може също да участва в образуването на ковалентна връзка с друг атом, ако има свободна орбитала във външния електронен слой на този атом. Налице е празна ls-орбитала, например за водородния йон Н +, който обикновено е лишен от електрони:

Следователно, когато молекулата NH3 взаимодейства с водороден йон, между тях възниква ковалентна връзка; самотната двойка електрони на азотния атом става обща за два атома, в резултат на което се образува йон амоний NH 4:

Тук ковалентната връзка възникна поради двойка електрони, които първоначално принадлежаха на един атом (донорелектронна двойка) и свободната орбитала на друг атом (акцепторелектронна двойка). Този метод за образуване на ковалентна връзка се нарича донор-акцептор.В разглеждания пример донорът на електронната двойка е азотният атом, а акцепторът е водородният атом.

Опитът е установил, че четири комуникация N-Hв амониевия йон са еквивалентни във всички отношения. От това следва, че връзката, образувана по метода донор-акцептор, не се различава по своите свойства от ковалентната връзка, създадена от несдвоените електрони на взаимодействащите атоми.

Друг пример за молекула, в която има връзки, образувани по метода на донор-акцептор, е молекулата на азотен оксид (I) N 2 O.

Преди това структурната формула на това съединение е изобразена, както следва:

Според тази формула централният азотен атом е свързан със съседни атоми чрез пет ковалентни връзки, така че във външния му електронен слой има десет електрона (пет електронни двойки). Но такова заключение противоречи на електронната структура на азотния атом, тъй като външният му L-слой съдържа само четири орбитали (една 5- и три р-орбитали) и не може да побере повече от осем електрона. Следователно дадената структурна формула не може да се счита за правилна.

Помислете за електронната структура на азотен оксид (I) и електроните на отделните атоми ще се обозначават последователно с точки или кръстове. Кислородният атом, който има два несдвоени електрона, образува две ковалентни връзки с централния азотен атом:

Поради неспарения електрон, останал в централния азотен атом, последният образува ковалентна връзка с втория азотен атом:

Така външните електронни слоеве на кислородния атом и централния азотен атом са запълнени: тук се образуват стабилни осем-електронни конфигурации. Но във външния електронен слой на най -външния азотен атом има само шест електрона; следователно този атом може да бъде акцептор на друга електронна двойка. Централният азотен атом в съседство с него има самотна електронна двойка и може да действа като донор. Това води до образуването на друга ковалентна връзка между азотните атоми чрез донорно-акцепторния метод:

Сега всеки от трите атома, съставляващи молекулата N 2 O, има стабилна осем-електронна структура на външния слой. Ако ковалентната връзка, образувана по метода донор-акцептор, е обозначена, както е обичайно, със стрелка, насочена от донорния атом към акцепторния атом, тогава структурната формула на азотен оксид (I) може да бъде представена, както следва:

Така в азотния оксид (I) ковалентността на централния азотен атом е четири, а крайната е две.

Разгледаните примери показват, че атомите имат разнообразни възможности за образуване на ковалентни връзки. Последните могат да бъдат създадени както поради несдвоени електрони на невъзбуден атом, така и поради неспарени електрони, които се появяват в резултат на възбуждане на атом („несдвояване“ на електронни двойки), и накрая, чрез донорно-акцепторен метод. Независимо от това, общият брой на ковалентните връзки, които могат да се образуват даден атом, ограничен. Определено е обща сумавалентни орбитали, т.е. тези орбитали, чието използване за образуване на ковалентни връзки се оказва енергийно благоприятно. Квантово-механичното изчисление показва, че такива орбитали включват С-и р-орбитала на външния електронен слой и d-орбитала на предишния слой; в някои случаи, както видяхме с примерите за хлорни и серни атоми, bf-орбитали на външния слой също могат да се използват като валентни орбитали.

Атомите на всички елементи от втория период имат четири орбитали във външния електронен слой при липса на d-орбитали в предишния слой. Следователно валентните орбитали на тези атоми могат да поемат не повече от осем електрона. Това означава, че максималната ковалентност на елементите на втория период е четири.

Атомите на елементите от третия и следващите периоди могат да се използват не само за образуване на ковалентни връзки с-и R-,но и ^ -орбитали. Известни съединения на ^ -елементи, в които участва образуването на ковалентни връзки с-и R-орбитали на външния електронен слой и всичките пет

Способността на атомите да участват в образуването на ограничен брой ковалентни връзки се нарича насищанековалентна връзка.

• Ковалентна връзка, образувана по донорно-акцепторен метод, понякога се нарича за кратко донорно-акцепторна връзка. Този термин обаче не трябва да се разбира като особен вид връзка, а само като определен начин за образуване на ковалентна връзка.

Химическа връзка.

Има различни вещества различна структура... От всички известни до момента вещества съществуват само инертни газове под формата на свободни (изолирани) атоми, което се дължи на тяхната висока стабилност електронни структури... Всички други вещества (а в момента има повече от 10 милиона от тях) са съставени от свързани атоми.

Забележка: тези части от текста, които не могат да бъдат научени или анализирани, са маркирани с курсив.

Образуването на молекули от атоми води до печалба на енергия, тъй като при нормални условия молекулното състояние е по -стабилно от атомното.

Атом на външно енергийно ниво може да съдържа от един до осем електрона. Ако броят на електроните на външното ниво на атома е максималният, който той може да побере, тогава това ниво се нарича завършен... Завършените нива се характеризират с голяма издръжливост. Това са външните нива на атомите на благородния газ: хелият има два електрона на външното ниво (s 2), останалите имат по осем електрона всеки (ns 2 np 6). Външните нива на атомите на други елементи са непълни и в процеса на химическо взаимодействие са завършени.

Химическата връзка се образува от валентни електрони, но се осъществява по различни начини. Има три основни типа химически връзки: ковалентни, йонни и метални.

Ковалентна връзка

Нека разгледаме механизма на образуване на ковалентна връзка, като използваме примера за образуване на молекула водород:

Н + Н = Н2; Q = 436 kJ

Ядрото на свободен водороден атом е заобиколено от сферично симетричен електронен облак, образуван от 1 s-електрон. Когато атомите се приближават до определено разстояние, техните електронни облаци (орбитали) частично се припокриват

В резултат на това между центровете на двете ядра се появява молекулярен двуелектронен облак, притежаващ максималната електронна плътност в пространството между ядрата; увеличаването на плътността на отрицателния заряд благоприятства силно увеличаване на силите на привличане между ядрата и молекулния облак.

И така, ковалентна връзка се образува в резултат на припокриване на електронни облаци от атоми, придружено от освобождаване на енергия. Ако разстоянието между ядрата на водородните атоми, които са били близо до докосване, е 0,106 nm, то след припокриването на електронните облаци (образуването на молекулата H2) това разстояние е 0,074 nm.Най-голямото припокриване на електронните облаци се случва по линията, свързваща ядрата на два атома (това се случва по време на образуването на σ-връзка). Колкото по -голямо е припокриването на електронните орбитали, толкова по -силна е химическата връзка. В резултат на образуването на химическа връзка между два водородни атома, всеки от тях достига електронната конфигурация на атома на благородния газ хелий.

Обичайно е да се изобразяват химическите връзки по различни начини:

1) с помощта на електрони под формата на точки, зададени при химичния знак на елемента. Тогава образуването на молекула водород може да се покаже по схемата

H ∙ + H ∙ → H: H

2) често, особено в органична химия, ковалентна връзка е изобразена с тире (инсулт) (например H-H), което символизира обща двойка електрони.

Ковалентната връзка в хлорната молекула също се осъществява с помощта на два общи електрона или електронна двойка:

Самотна двойка електрони, има 3 от тях в атома

← Самотна двойка електрони,

Има 6 от тях в молекула.

неспарен електрон споделена или споделена двойка електрони

Както можете да видите, всеки хлорен атом има три самотни двойки и един недвоен електрон. Образуването на химическа връзка се дължи на несдвоените електрони на всеки атом. Неспарените електрони се свързват в обща двойка електрони, наричана още споделена двойка.

Ако между атомите е възникнала една ковалентна връзка (една обща електронна двойка), тогава тя се нарича единична; ако повече, тогава кратно на двойно (две общи електронни двойки), тройно (три общи електронни двойки).

Единична връзка е изобразена с една черта (щрих), двойна връзка с две и тройна връзка с три. Тире между два атома показва, че те имат обобщена двойка електрони, в резултат на което се образува химическа връзка. С помощта на такива черти се изобразяват структурните формули на молекулите.

Така че, в хлорна молекула, всеки от нейните атоми има пълно външно ниво от осем електрона (s 2 p 6), а два от тях (електронна двойка) принадлежат еднакво на двата атома. Припокриването на електронни орбитали по време на образуването на молекула е показано на фиг.

В азотната молекула N 2 атомите имат три общи електронни двойки:

: N + N: →: N ::: N:

Очевидно молекулата на азота е по -силна от молекулата на водорода или хлора, което е причината за значителната инертност на азота в химичните реакции.

Химическата връзка, осъществявана от електронни двойки, се нарича ковалентна.

Механизми на образуване на ковалентна връзка.

Ковалентната връзка се образува не само чрез припокриване едноелектроненоблаците е механизъм за обмен за образуване на ковалентна връзка.

В обменния механизъм атомите осигуряват еднакъв брой електрони за обща употреба.

Възможен е и друг механизъм на неговото образуване - донор -акцептор. В този случай химическата връзка възниква поради несподеленелектронна двойка от един атом и Безплатноорбитали на друг атом.

Нека разгледаме като пример механизма на образуване на амониевия йон NH 4 +

Когато амонякът взаимодейства с HCl, химическа реакция:

NH 3 + HCl = NH 4 Cl или в съкратена йонна форма: NH 3 + H + = NH 4 +

В този случай азотният атом в амонячната молекула има несподеленняколко електрона (двуелектронниоблак):