Ковалентная связь (от лат. co — «совместно» и vales — «имеющий силу») — химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных (находящихся на внешней оболочке атома) электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой.

Ковалентная связь включает в себя многие виды взаимодействий, включая σ-связь, π-связь, металлическую связь, банановую связь и двухэлектронную трёхцентровую связь.^[1][2]

С учётом статистической интерпретации волновой функции М. Борна плотность вероятности нахождения связывающих электронов концентрируется в пространстве между ядрами молекулы (рис.1). В теории отталкивания электронных пар рассматриваются геометрические размеры этих пар. Так, для элементов каждого периода существует некоторый средний радиус электронной пары (Å):

0,6 для элементов вплоть до неона; 0,75 для элементов вплоть до аргона; 0,75 для элементов вплоть до криптона и 0,8 для элементов вплоть до ксенона^[3].

Характерные свойства ковалентной связи[править | править код]

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость — определяют химические и физические свойства соединений.

• Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы.

Углы между двумя связями называют валентными.

• Насыщаемость — способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ограничено числом его внешних атомных орбиталей.

• Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов.

По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные и полярные (неполярные — двухатомная молекула состоит из одинаковых атомов (H₂, Cl₂, N₂) и электронные облака каждого атома распределяются симметрично относительно этих атомов; полярные — двухатомная молекула состоит из атомов разных химических элементов, и общее электронное облако смещается в сторону одного из атомов, образуя тем самым асимметрию распределения электрического заряда в молекуле, порождая дипольный момент молекулы).

• Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет реакционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.

Электроны тем подвижнее, чем дальше они находятся от ядер.

Однако, дважды лауреат Нобелевской премии Л. Полинг указывал, что «в некоторых молекулах имеются ковалентные связи, обусловленные одним или тремя электронами вместо общей пары»

Молекулярный ион водорода H₂⁺ содержит два протона и один электрон. Единственный электрон молекулярной системы компенсирует электростатическое отталкивание двух протонов и удерживает их на расстоянии 1,06 Å (длина химической связи H₂⁺). Центр электронной плотности электронного облака молекулярной системы равноудалён от обоих протонов на боровский радиус α₀=0,53 А и является центром симметрии молекулярного иона водорода H

Термин «ковалентная связь» был впервые введён лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром в 1919 году^[5][4]. Этот термин относился к химической связи, обусловленной совместным обладанием электронами, в отличие от металлической связи, в которой электроны были свободными, или от ионной связи, в которой один из атомов отдавал электрон и становился катионом, а другой атом принимал электрон и становился анионом.

Позднее (1927 год) Ф. Лондон и В. Гайтлер на примере молекулы водорода дали первое описание ковалентной связи с точки зрения квантовой механики.

Ковалентная связь образуется парой электронов, поделённой между двумя атомами, причём эти электроны должны занимать две устойчивые орбитали, по одной от каждого атома

A· + ·В → А: В

В результате обобществления электроны образуют заполненный энергетический уровень. Связь образуется, если их суммарная энергия на этом уровне будет меньше, чем в первоначальном состоянии (а разница в энергии будет ни чем иным, как энергией связи).

Согласно теории молекулярных орбиталей, перекрывание двух атомных орбиталей приводит в простейшем случае к образованию двух молекулярных орбиталей (МО):

Образование связи при рекомбинации атомов[править | править код]

Атомы и свободные радикалы склонны к рекомбинации — образованию ковалентной связи путём обобществления двух неспаренных электронов, принадлежащих разным частицам.

H + H → H₂;

·CH₃ + ·CH₃ → CH₃ — CH₃.

Образование связи при рекомбинации сопровождается выделением энергии. Так, при взаимодействии атомов водорода выделяется энергия в количестве 436 кДж/моль. Этот эффект используют в технике при атомно-водородной сварке. Поток водорода пропускают через электрическую дугу, где генерируется поток атомов водорода. Атомы затем вновь соединяются на металлической поверхности, помещаемой на небольшое расстояние от дуги. Металл может быть таким путём нагрет выше 3500°C. Большим достоинством «пламени атомного водорода» является равномерность нагрева, позволяющая сваривать очень тонкие металлические детали

Однако, механизм межатомного взаимодействия долгое время оставался неизвестным. Лишь в 1930 г. Ф. Лондон ввёл понятие дисперсионное притяжение — взаимодействие между мгновенным и наведённым (индуцированными) диполями. В настоящее время силы притяжения, обусловленные взаимодействием между флуктуирующими электрическими диполями атомов и молекул носят название «Лондоновские силы».

Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости α и обратно пропорциональна расстоянию между двумя атомами или молекулами в шестой степени^[8].

Образование связи по донорно-акцепторному механизму[править | править код]

Кроме изложенного в предыдущем разделе гомогенного механизма образования ковалентной связи, существует гетерогенный механизм — взаимодействие разноименно заряженных ионов — протона H⁺ и отрицательного иона водорода H^—, называемого гидрид-ионом:

H⁺ + H^— → H₂

При сближении ионов двухэлектронное облако (электронная пара) гидрид-иона притягивается к протону и в конечном счёте становится общим для обоих ядер водорода, то есть превращается в связывающую электронную пару. Частица, поставляющая электронную пару, называется донором, а частица, принимающая эту электронную пару, называется акцептором. Такой механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным

Распределение электронной плотности между ядрами в молекуле водорода одно и то же, независимо от механизма образования, поэтому называть химическую связь, полученную по донорно-акцепторному механизму, донорно-акцепторной связью некорректно.

В качестве донора электронной пары, кроме гидрид-иона, выступают соединения элементов главных подгрупп V—VII групп периодической системы элементов в низшей степени окисления элемента. Так, ещё Йоханнес Брёнстед установил, что протон не существует в растворе в свободном виде, в воде он образует катион оксония:

H⁺ + H₂O → H₃O⁺

Протон атакует неподелённую электронную пару молекулы воды и образует устойчивый катион, существующий в водных растворах кислот^[10].

Аналогично происходит присоединение протона к молекуле аммиака с образованием комплексного катиона аммония:

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

Таким путём (по донорно-акцепторному механизму образования ковалентной связи) получают большой класс ониевых соединений, в состав которого входят аммониевые, оксониевые, фосфониевые, сульфониевые и другие соединения

В качестве донора электронной пары может выступать молекула водорода, которая при контакте с протоном приводит к образованию молекулярного иона водорода H₃⁺:

H₂ + H⁺ → H₃⁺

Связывающая электронная пара молекулярного иона водорода H₃⁺ принадлежит одновременно трём протонам.

Существуют три вида ковалентной химической связи, отличающихся механизмом образования:

1. Простая ковалентная связь. Для её образования каждый из атомов предоставляет по одному неспаренному электрону. При образовании простой ковалентной связи формальные заряды атомов остаются неизменными.

• Если атомы, образующие простую ковалентную связь, одинаковы, то истинные заряды атомов в молекуле также одинаковы, поскольку атомы, образующие связь, в равной степени владеют обобществлённой электронной парой. Такая связь называется неполярной ковалентной связью. Такую связь имеют многие простые вещества, например: О₂, N₂, Cl₂. Но не только неметаллы одного типа могут образовывать ковалентную неполярную связь. Ковалентную неполярную связь могут образовывать также элементы-неметаллы, электроотрицательность которых имеет равное значение, например, в молекуле PH₃ связь является ковалентной неполярной, так как ЭО водорода равна ЭО фосфора.

• Если атомы различны, то степень владения обобществлённой парой электронов определяется различием в электроотрицательностях атомов. Атом с большей электроотрицательностью сильнее притягивает к себе пару электронов связи, и его истинный заряд становится отрицательным. Атом с меньшей электроотрицательностью приобретает, соответственно, такой же по величине положительный заряд. Если соединение образуется между двумя различными неметаллами, то такое соединение называется ковалентной полярной связью.

2. Донорно-акцепторная связь. Для образования этого вида ковалентной связи оба электрона предоставляет один из атомов — донор. Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором. В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшается на единицу.

3. Семиполярная связь. Её можно рассматривать как полярную донорно-акцепторную связь. Этот вид ковалентной связи образуется между атомом, обладающим неподелённой парой электронов (азот, фосфор, сера, галогены и т. п.) и атомом с двумя неспаренными электронами (кислород, сера). Образование семиполярной связи протекает в два этапа:

1. Перенос одного электрона от атома с неподелённой парой электронов к атому с двумя неспаренными электронами. В результате атом с неподелённой парой электронов превращается в катион-радикал (положительно заряженная частица с неспаренным электроном), а атом с двумя неспаренными электронами — в анион-радикал (отрицательно заряженная частица с неспаренным электроном).

2. Обобществление неспаренных электронов (как в случае простой ковалентной связи).

При образовании семиполярной связи атом с неподелённой парой электронов увеличивает свой формальный заряд на единицу, а атом с двумя неспаренными электронами понижает свой формальный заряд на единицу.

Сигма (σ)-, пи (π)-связи — приближенное описание видов ковалентных связей в молекулах различных соединений, σ-связь характеризуется тем, что плотность электронного облака максимальна вдоль оси, соединяющей ядра атомов. При образовании π{\displaystyle \pi }-связи осуществляется так называемое боковое перекрывание электронных облаков, и плотность электронного облака максимальна «над» и «под» плоскостью σ-связи. Для примера возьмем этилен, ацетилен и бензол.

В молекуле этилена С₂Н₄ имеется двойная связь СН₂=СН₂, его электронная формула: Н:С::С:Н. Ядра всех атомов этилена расположены в одной плоскости. Три электронных облака каждого атома углерода образуют три ковалентные связи с другими атомами в одной плоскости (с углами между ними примерно 120°). Облако четвёртого валентного электрона атома углерода располагается над и под плоскостью молекулы. Такие электронные облака обоих атомов углерода, частично перекрываясь выше и ниже плоскости молекулы, образуют вторую связь между атомами углерода. Первую, более прочную ковалентную связь между атомами углерода называют σ-связью; вторую, менее прочную ковалентную связь называют π{\displaystyle \pi }-связью.

В линейной молекуле ацетилена

Н—С≡С—Н (Н : С ::: С : Н)

имеются σ-связи между атомами углерода и водорода, одна σ-связь между двумя атомами углерода и две π{\displaystyle \pi }-связи между этими же атомами углерода. Две π{\displaystyle \pi }-связи расположены над сферой действия σ-связи в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Все шесть атомов углерода циклической молекулы бензола С₆H₆ лежат в одной плоскости. Между атомами углерода в плоскости кольца действуют σ-связи; такие же связи имеются у каждого атома углерода с атомами водорода. На осуществление этих связей атомы углерода затрачивают по три электрона. Облака четвёртых валентных электронов атомов углерода, имеющих форму восьмерок, расположены перпендикулярно к плоскости молекулы бензола. Каждое такое облако перекрывается одинаково с электронными облаками соседних атомов углерода. В молекуле бензола образуются не три отдельные π{\displaystyle \pi }-связи, а единая π{\displaystyle \pi }-электронная система из шести электронов, общая для всех атомов углерода. Связи между атомами углерода в молекуле бензола совершенно одинаковые.

Примеры веществ с ковалентной связью[править | править код]

Простой ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов (Н₂, Cl₂ и др.) и соединений (Н₂О, NH₃, CH₄, СО₂, HCl и др.). Соединения с донорно-акцепторной связью — аммония NH₄⁺, тетрафторборат анион BF₄⁻ и др. Соединения с семиполярной связью — закись азота N₂O, O⁻-PCl₃⁺.

Кристаллы с ковалентной связью — диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов (атомы в которых соединены между собой ковалентными (атомными) связями) могут служить алмаз, германий и кремний.

1. ↑ March, Jerry. Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (англ.). — John Wiley & Sons, 1992. — ISBN 0-471-60180-2.
2. ↑ Gary L. Miessler; Donald Arthur Tarr. Inorganic Chemistry (неопр.). — Prentice Hall (англ.)русск., 2004. — ISBN 0-13-035471-6.
3. ↑ Гиллеспи Р. Геометрия молекул. — М: «Мир», 1975. — С. 49. — 278 с.
4. ↑ ^{1 2} Л.Паулинг. Природа химической связи. — М.-Л.: Издательство химической литературы, 1947. — С. 16. — 440 с.
5. ↑ I. Langmuir. Journal of the American Chemical Society. — 1919. — Т. 41. — 868 с.
6. ↑ Полинг.Л., Полинг П. Химия. — «Мир», 1978. — С. 129. — 684 с.
7. ↑ Некрасов Б. В. Курс общей химии. — 14. — М.: изд. химической литературы, 1962. — С. 110. — 976 с.
8. ↑ Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. — М.: «Мир», 1978. — С. 453. — 646 с.
9. ↑ Ахметов Н. С. Неорганическая химия. — изд. 2-е перераб. и доп.. — М.: Высшая школа, 1975. — С. 60. — 672 с.
10. ↑ Химический энциклопедический словарь / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Сов. энциклопедия, 1983. — С. 132. — 792 с.
11. ↑ Onium compounds IUPAC Gold Book

• «Химический энциклопедический словарь», М., «Советская энциклопедия», 1983, с.264.

Полярные и неполярные молекулы ℹ️ понятие, как определить полярность, строение, свойства и функции, от чего зависит, примеры соединений

Полярные и неполярные молекулы – две группы, на которые подразделяются все диэлектрики. 

Полярные по-другому называются дипольными. А неполярные являются нейтральными или бездипольными.

Что такое полярность в химии

Полярность – свойство, показывающее изменение распределения электронной плотности около ядер, если сравнивать с изначальным ее распределением в образующих данную связь нейтральных частицах.

Поляризуемость — способность поляризоваться под воздействием электрического поля.

Мерой полярности называется электрический момент диполя. В нейтральных соединениях он равен нулю. Его значение зависит от разности электроотрицательностей элементов.

Длина диполя — расстояние между его полюсами. Данная характеристика также влияет на степень полярности.

Любое соединение состоит из ядра (положительные частицы) и электронов (отрицательные частицы). И положительные, и отрицательные частицы имеют свой электрический центр тяжести. 

Если центры тяжести частиц совпадают, то соединение считается неполярным. Если же полюса не накладываются друг на друга, то в этом случае речь идет о дипольной связи.

Примеры полярных молекул

Эта связь образуется, если вещество состоит из атомов разных элементов и ассиметрична (имеются неспаренные электроны). Такие соединения имеют угловую, изогнутую геометрическую форму. 

Например, это такие газы как NH₃, SO₂, NO₂ и жидкость – вода.

Примеры неполярных молекул

В качестве примера таких связей можно привести молекулы, состоящие из одинаковых атомов: H₂, Cl₂, O₂, N₂, F₂ и т. д.

Эта связь также может встречаться в соединениях, состоящих из атомов разных элементов и при этом являющихся симметричными (линейные, тетраэдрические и т. д.). Такими веществами являются: BeH₂, BF₃, CH₄, CO₂(углекислый газ) и SO_3.

При нейтральной связи электронное облако равномерно распределяется между ядрами всех атомов данного вещества. Поэтому ядра действуют на него в равной мере.

Как определить полярность молекулы и от чего она зависит

Чтобы определить, является ковалентная связь дипольной или нет, необходимо посмотреть на химическую формулу вещества. 

Если молекула состоит из атомов одного и того же вещества, то она в любом случае нейтральна.

Если же молекулярное строение является сложным, то речь может идти как о полярной, так и неполярной ковалентной связи. Это зависит от геометрической формы.

Ковалентные неполярные и полярные связи — урок. Химия, 8–9 класс.

Общие электронные пары, образующиеся в простых веществах  h3,O2,Cl2,F2,N2, в одинаковой степени принадлежат обоим атомам. Такая ковалентная связь называется неполярной.

Ковалентная неполярная связь соединяет атомы в простых веществах-неметаллах.

Если ковалентная связь образуется между разными атомами, то общая электронная пара смещается к тому из них, который имеет более высокую электроотрицательность (ЭО). Он получает частичный отрицательный заряд. Атом, имеющий меньшую ЭО, становится заряжённым положительно. В этом случае образуется полярная ковалентная связь.

Ковалентная полярная связь образуется между атомами неметаллов в сложных веществах.

Рассмотрим образование ковалентных связей в сложных веществах.

1. Образование молекулы хлороводорода.

У атома водорода на внешнем уровне — один электрон. У хлора на внешнем уровне — семь электронов, один из которых неспаренный.

Образуется одна общая электронная пара, которая смещена к атому хлора. В результате

появляются частичные заряды: на атоме хлора — отрицательный, а на атоме водорода — положительный. Сдвиг электронной плотности принято обозначать греческой буквой дельта δ:

Структурная формула хлороводорода H−Cl

Подобным образом соединяются атомы в молекулах других галогеноводородов:

H−F,H−Br,H−I.

2. Образование молекулы воды.

На внешнем уровне атома кислорода — шесть электронов, два из которых неспаренные.

Атом кислорода образует две общие электронные пары с двумя атомами водорода.

Электронная плотность этих общих пар сдвинута к более электроотрицательному кислороду. Атом кислорода имеет отрицательный заряд, а атомы водорода — положительный.

Сходное строение имеет молекула сероводорода. Структурные формулы воды и сероводорода:

H−OH−S||HH

3. Образование молекулы аммиака.

У атома азота — пять внешних электронов, три из которых неспаренные.

Атом азота присоединяет к себе три атома водорода.

Азот — более электроотрицательный элемент, поэтому на его атоме будет отрицательный заряд, а на атомах водорода — положительные заряды.

Так же образуются связи в фосфине. Структурные формулы аммиака и фосфина:

H−N−HH−P−H||HH

Для того чтобы определить знаки частичных зарядов на атомах в веществе, надо сравнить ЭО неметаллов.

Пример:

определим частичные заряды атомов в соединении CCl4.

Вспомним положение углерода и хлора в ряду ЭО:

По положению элементов в этом ряду видно, что более электроотрицательный элемент в этой паре — хлор. Его атом оттягивает к себе общие электронные пары от атома углерода. Значит, на атоме хлора будет частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода — частичный положительный:

 C+δCl4−δ.

Полярную ковалентную связь часто изображают стрелкой:  H→Cl.  Стрелка показывает направление смещения общей электронной плотности.

Источники:

Габриелян О. С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. — 70 с.

Полярные и неполярные молекулы

Различают две разновидности ковалентной связи: неполярную и полярную. В случае неполярной ковалентной связи электронное облако, образованное общей парой электронов, или электронное облако связи, распределяется в пространстве симметрично относительно обоих атомов. Примером являются двухатомные молекулы, состоящие из атомов одного элемента: H₂, Cl₂, O₂, N₂, F₂ и другие, в которых электронная пара в одинаковой мере принадлежит обоим атомам. В случае полярной ковалентной связи электронное облако связи смещено к атому с большей относительной электроотрицательностью. Примером могут служить молекулы летучих неорганических соединений: HCl, H₂O, H₂S, NH₃ и другие.

Относительная электроотрицательность атомов

Электрические центры положительных и отрицательных зарядов в молекуле не совпадают в одной точке, а находятся на некотором расстоянии ℓ.

Полярная молекула с постоянным электрическим моментом диполя

Молекула при общей нейтральности представляет собой электрический диполь с зарядом q^— – у атома хлора и q⁺ — у атома водорода. Такие связи и молекулы называются полярными. Заряды атомов в молекуле q называются эффективными зарядами (в молекуле HCl q_cl = -0,18; а q_н = +0,18 абсолютного заряда электрона, степень ионности связи

18 %).

Мера полярности связи и молекулы – электрический момент диполя (μ – «мю») определяется произведением

μ = qℓ, Кл∙м или μ = qℓ/3,33∙10^-30, Д

где q – эффективный заряд; ℓ — длина диполя. Единица электрического момента диполя (система СИ) выражается значением 3,33∙10^-30 Кл∙м (кулон-метр) = 1Д (Д — Дебай).

Электрический момент диполя – векторная величина. Направление его условно принимают от положительного заряда к отрицательному – в сторону смещения связующего электронного облака. Чем больше разность электроотрицательностей элементов в полярных молекулах, тем больше электрический момент диполя.

Для многоатомных молекул следует различать понятия о дипольных моментах отдельных связей и молекулы в целом. Поскольку при наличии нескольких связей в молекуле их дипольные моменты складываются по правилу параллелограмма, то в зависимости от формы молекулы, определяемой направленностью связей, результирующий дипольный момент отличается от дипольных моментов отдельных связей и в частном случае (для высокосимметричных молекул) может быть равен нулю, несмотря на значительную полярность отдельных связей. Например, линейная молекула СО₂ неполярна (μ = 0), хотя каждая связь С=О имеет значительный дипольный момент (μ = 2,7 Д).

-δ +2δ -δ

О == С == О

2,7 Д 2,7 д

Молекулы, содержащие неполярную ковалентную связь, называются неполярными или гомеополярными. У таких молекул связующее электронное облако распределяется симметрично между ядрами обоих атомов, и ядра в равной мере действуют на него. Примером могут служить молекулы простых веществ, состоящие из атомов одного элемента: H₂, Cl₂, O₂, N₂, F₂ и другие. Электрический момент диполя таких молекул равен нулю.

Способность молекул (и отдельных связей) поляризоваться под влиянием внешнего электрического поля называется поляризуемостью. Это может происходить и под влиянием поля, создаваемого приблизившейся полярной молекулой. Поэтому поляризуемость имеет большое значение в химических реакциях.

Всегда важно учитывать полярность молекулы и ее электрический момент диполя. С последним связана реакционная способность веществ. Как правило, чем больше электрический момент диполя молекулы, тем выше реакционная способность вещества. С электрическим моментом диполя связана также и растворимость веществ. Полярные молекулы жидкостей благоприятствуют электрической диссоциации растворенных в них электролитов по принципу «подобное растворяется в подобном».

Физические свойства веществ с различным типом связи. Видеоурок. Химия 9 Класс

Тема: Химическая связь. Электролитическая диссоциация

Урок: Физические свойства веществ с различным типом связи

Вещества с таким типом связи относятся к неметаллам. Они могут быть при н.у. газообразными (кислород, водород, хлор), жидкими (бром), твердыми (сера, фосфор, графит).

Интересная закономерность наблюдается с температурами кипения и плавления газообразных и жидких неметаллов (см. Таблицу 1): с увеличением относительной молекулярной массы , как правило, увеличиваются температуры кипения и плавления веществ с ковалентной неполярной связью.

Таблица 1. Температуры кипения и плавления некоторых газообразных и жидких простых веществ и их М_r

С твердыми неметаллами все не так просто (см. Таблицу 2). Среди них встречаются как легкоплавкие (сера, селен, фосфор), так и тугоплавкие вещества (графит, алмаз, кремний, бор). Температуры плавления этих веществ не зависят от их относительной атомной массы: относительная атомная  масса йода 127, а бора всего 11, но температура плавления бора значительно выше. Рассмотрим причины такой разницы в физических свойствах твердых неметаллов.

Таблица 2. Температуры плавления некоторых твердых веществ-неметаллов и их A_r

Почему кремний, бор, графит и алмаз имеют очень высокие температуры плавления? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть строение кристаллов этих веществ. Дело в том, что в узлах кристаллических решеток этих веществ находятся атомы неметаллов, соединенные друг с другом прочными ковалентными неполярными связями. Рассмотрим кристаллические решетки графита и алмаза. В кристалле алмаза все атомы углерода связаны между собой равноценными ковалентными неполярными связями. Такой кристалл отличается особой прочностью, поэтому алмаз – необычайно твердое вещество.

Кристалл графита состоит из своеобразных слоев. Расстояние между слоями существенно больше, чем между атомами внутри слоя. Поэтому твердость графита низкая, графитом можно писать (при этом разрываются связи между слоями атомов углерода).

Кремний и бор тоже образуют атомную кристаллическую структуру.

Итак, вещества с атомной кристаллической структурой имеют более высокие температуры кипения и плавления, чем вещества с молекулярной кристаллической структурой. Это объясняется тем, что атомный кристалл разрушить сложнее, чем молекулярный, т.к. связи между молекулами слабые, а между атомами прочные.

Сера, селен, фосфор – вещества молекулярного строения, их молекулы имеют следующий состав: S₈, Se₈, P₄. И для них также соблюдается закономерность: чем больше молекулярная масса вещества с молекулярной кристаллической структурой, тем выше его температура кипения и плавления (см. Таблицу 3).

Таблица 3. Температуры плавления некоторых твердых простых веществ-неметаллов и их М_r

Среди веществ, образованных ковалентной полярной связью, при н.у. встречаются газообразные (углекислый газ, хлороводород), жидкие (вода, серная кислота) и твердые вещества (оксид кремния, оксид фосфора (V)).

Посмотрим на значения температур кипения и плавления этих веществ (см. Таблицу 4). Высокими значениями температур кипения и плавления отличается оксид кремния. Это можно объяснить его строением. Оксид кремния — вещество с атомной кристаллической решеткой. Для того чтобы расплавить это вещество, надо разорвать ковалентные полярные связи между атомами кремния и кислорода. На это требуется большая энергия.

Остальные вещества  в Таблице 4 имеют молекулярную кристаллическую структуру. Но мы не наблюдаем здесь прямой зависимости между относительной молекулярной массой и температурой плавления. Например, вода с M_r=18 имеет температуру кипения, равную 100°С, а сероводород с M_r=34 имеет температуру кипения, равную -60°С. Для веществ с ковалентной полярной связью температуры плавления и кипения во многом определяются не только их относительной молекулярной массой, но и полярностью их молекул. Чем полярнее молекулы, тем сильнее они взаимодействуют между собой.

Таблица 4. Температуры плавления и кипения веществ с ковалентной полярной связью и их M_r

Соединения, образованные химическими элементами металлами и неметаллами могут быть образованы ионной или ковалентной полярной связью. Вы удивлены? Ионная связь возникает между атомами типичного металла и типичного неметалла, когда разница их значений относительных электроотрицательностей больше 2. При небольшой разнице в значениях относительных электроотрицательностей (менее 2) соединение будет образовано ковалентной полярной связью.

Вы уже знаете, что вещества с ковалентной полярной связью могут иметь молекулярную или атомную кристаллическую структуру. Вещества же с ионной химической связью образованы ионной кристаллической структурой (в узлах кристаллической решетки находятся ионы). Для разрушения ионных кристаллов требуется значительно больше энергии, чем для разрушения молекулярных. Температуры плавления ионных соединений лежат в диапазоне 700-1000°С. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют температуры плавления, как правило, больше 1500°С.

Посмотрим на Таблицу 5 и найдем вещества с атомной, молекулярной и ионной кристаллическими структурами. Как вы видите, оксид алюминия и оксид железа (III) – вещества с атомной структурой, т.к. имеют очень высокие температуры плавления. Вещества, с относительно низкими температурами плавления – хлорид алюминия, хлорид ртути, хлорид железа (III) – имеют в большей степени молекулярную кристаллическую структуру, чем ионную.

Таблица 5.  Температуры плавления веществ, образованных металлами и неметаллами

Список рекомендованной литературы

1.      Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб. для общеобраз. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. – М.: АСТ: Астрель, 2007. (§18)

2.      Оржековский П.А. Химия: 9-ый класс: учеб для общеобр. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.: Астрель, 2013. (§7)

3.      Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.

4.      Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008.

5.      Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1.      Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме): (Источник).

2.      Электронная версия журнала «Химия и жизнь»: (Источник).

Домашнее задание

1.      Определите тип химической связи и кристаллической решетки в следующих веществах: LiCl, K, Ba(OH)₂, NH₃, P₄, SiO₂, CaF_2..

2.      с. 48-49  №№ А1-А3  из учебника П.А. Оржековского «Химия: 9-ый класс» / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.: Астрель, 2013.

Ковалентная связь в химии: простое объяснение

Ковалентная связь – определение, характеристика. Что такое ковалентная связь?

Сам термин «ковалентная связь» происходит от двух латинских слов: «со» – совместно и «vales» – имеющий силу, так как это связь происходящая за счет пары электронов, принадлежащей одновременно обоим атомам (или говоря более простым языком, связь между атомами за счет пары электронов, являющихся общими для них). Образование ковалентной связи происходит исключительно среди атомов неметаллов, причем появляться она может как в атомах молекул, так и кристаллов.

Впервые ковалентная химическая связь была обнаружена в далеком 1916 году американских химиком Дж. Льюисом и некоторое время существовала в виде гипотезы, идеи, лишь затем была подтверждена экспериментально. Что же выяснили химики по ее поводу? А то, что электроотрицательность неметаллов бывает довольно большой и при химическом взаимодействии двух атомов перенос электронов от одного к другому может быть невозможным, именно в этот момент и происходит объединение электронов обоих атомов, между ними возникает самая настоящая ковалентная связь атомов.

Типы ковалентной связи

В целом есть два типа ковалентной связи:

• обменный,
• донорно-акцептный.

При обменном типе ковалентной связи между атомами каждый из соединяющихся атомов представляет на образование электронной связи по одному неспареному электрону. При этом электроны эти должны иметь противоположные заряды (спины).

Примером подобной ковалентной связи могут быть связи происходящие молекуле водорода. Когда атомы водорода сближаются, в их электронные облака проникают друг в друга, в науке это называется перекрыванием электронных облаков. Как следствие, электронная плотность между ядрами увеличивается, сами они притягиваются друг к другу, а энергия системы уменьшается. Тем не менее, при слишком близком приближении ядра начинают отталкиваться, и таким образом возникает некое оптимально расстояние между ними.

Более наглядно это показано на картинке.

Что же касается донорно-акцепторного типа ковалентной связи, то он происходит когда одна частица, в данном случае донор, представляет для связи свою электронную пару, а вторая, акцептор – свободную орбиталь.

Также говоря о типах ковалентной связи можно выделить неполярную и полярную ковалентные связи, более подробно о них мы напишем ниже.

Ковалентная неполярная связь

Определение ковалентной неполярной связи просто, это связь, которая образуется между двумя одинаковыми атомами. Пример образование неполярной ковалентной связи смотрите ниже на схеме.

Схема ковалентной неполярной связи.

В молекулах при ковалентной неполярной связи общие электронные пары располагаются на равных расстояниях от ядер атомов. Например, в молекуле кислорода (на схеме выше), атомы приобретают восьми электронную конфигурацию, при этом они имеют четыре общие пары электронов.

Веществами с ковалентной неполярной связью обычно являются газы, жидкости или сравнительно низкоплавные тверды вещества.

Ковалентная полярная связь

Теперь же ответим на вопрос какая связь ковалентная полярная. Итак, ковалентная полярная связь образуется, когда ковалентно связанные атомы имеют разную электроотрицательность, и обобществленые электроны не принадлежат в равной степени двум атомам. Большую часть времени обобществленые электроны находятся ближе к одному атому, чем к другому. Примером ковалентной полярной связи могут служить связи, возникающие в молекуле хлороводорода, там обобществленые электроны, ответственные за образование ковалентной связи располагаются ближе к атому хлора, нежели водорода. А все дело в том, что электроотрицательность у хлора больше чем у водорода.

Так выглядит схема ковалентной полярной связи.

Ярким примером вещества с полярной ковалентной связью является вода.

Как определить ковалентную связь

Что же, теперь вы знаете ответ на вопрос как определить ковалентную полярную связь, и как неполярную, для этого достаточно знать свойства и химическую формулу молекул, если эта молекула состоит из атомов разных элементов, то связь будет полярной, если из одного элемента, то неполярной. Также важно помнить, что ковалентные связи в целом могут возникать только среди неметаллов, это обусловлено самим механизмом ковалентных связей, описанным выше.

Ковалентная связь, видео

И в завершение видео лекция о теме нашей статьи, ковалентной связи.

Эта статья доступна на английском языке – Covalent Bond.