Ковалентная связь.

Понятие о ковалентной связи. В слове "ковалентная" приставка "ко-" означает "совместное участие". А "валента" в переводе на русский - сила, способность. В данном случае имеется в виду способность атомов связываться с другими атомами.

При образовании ковалентной связи атомы объединяют свои электроны как бы в общую "копилку" - молекулярную орбиталь, которая формируется из атомных оболочек обоих атомов. Эта новая оболочка содержит по возможности завершенное число электронов и заменяет атомам их собственные незавершенные атомные оболочки.

Рассмотрим возникновение ковалентной связи на примере образования молекулы водорода из двух атомов водорода. Этот процесс уже является типичной химической реакцией, потому что из одного вещества (атомарного водорода) образуется другое - молекулярный водород. Внешним признаком энергетической выгодности этого процесса является выделение большого количества теплоты.

Электронные оболочки атомов водорода (с одним s-электроном у каждого атома) сливаются в общее электронное облако (молекулярную орбиталь), где оба электрона "обслуживают" ядра независимо от того, "свое" это ядро или "чужое". Новая электронная оболочка подобна завершенной электронной оболочке инертного газа гелия из двух электронов: 1s 2.

Первоначально два атома водорода находятся далеко друг от друга и не оказывают взаимного влияния. При их сближении начинают действовать силы отталкивания между двумя одинаково заряженными электронными оболочками атомов. Но если это отталкивание все-таки преодолевается атомами, нужна то при слиянии электронных оболочек двух атомов выделяется намного больше энергии, чем потребовалось на их сближение.

Когда электронные оболочки двух атомов водорода сливаются и образуют новую, теперь уже молекулярную электронную оболочку, эта новая оболочка подобна завершенной электронной оболочке атома благородного газа гелия (1s2). В образовавшейся системе из двух водородных атомов каждое ядро обслуживается двумя электронами. В новой (молекулярной) оболочке уже невозможно различить, какой из электронов ранее принадлежал тому или другому атому. Принято говорить, что электроны обобществлены.

Поскольку оба ядра претендуют на пару электронов в равной степени, электронная плотность сосредоточена как вокруг ядер, так и в пространстве между атомами (это показано на рис). Именно эту область повышенной электронной плотности между ядрами и называют ковалентной связью.

Другой способ изображения атомных и молекулярной орбиталей: густота точек отражает "электронную плотность", то есть вероятность нахождения электрона в какой-либо точке пространства около ядер атомов водорода. Видно, что значительная электронная плотность сосредоточена в пространстве между двумя ядрами в молекуле водорода

На рисунке вы видели очень детальное изображение ковалентной связи. На практике используют более простые способы. Например, американский химик Дж. Льюис в 1916 году предложил обозначать электроны точками рядом с символами элементов. Одна точка обозначает один электрон. В этом случае образование молекулы водорода из атомов записывается так:

Оказалось, что формулы Льюиса имеют глубокий химический смысл. Связь между атомами водорода обозначается парой электронов. Как предположил Льюис, именно пара электронов позволяет образовать ковалентную связь. Впоследствии это предположение подтвердилось квантовой теорией. Ковалентной связью называется связывание атомов с помощью общих (поделенных между ними) электронных пар.

Рассмотрим связывание двух атомов хлора 17Cl (заряд ядра Z=17) в двухатомную молекулу с позиций строения электронных оболочек хлора. Для этого запишем электронную конфигурацию атома хлора так

На внешнем электронном уровне хлора содержится s2 + p5 = 7 электронов. Поскольку электроны нижних уровней не принимают участия в химическом взаимодействии, точками обозначим только электроны внешнего, третьего уровня. Эти внешние электроны (7 штук) можно расположить в виде трех электронных пар и одного неспаренного электрона.

Ковалентную связь образует только пара электронов, находящаяся между атомами. Она называется поделенной парой. Остальные пары электронов называют неподеленными парами. Они заполняют оболочки и не принимают участие в связывании.

После объединения в молекулу из неспаренных электронов двух атомов получается новая электронная пара:

Полярные ковалентные связи образуются между атомами с разной электроотрицательностью. За счёт смещения электронов от водорода к хлору атом хлора заряжается частично отрицательно, атом водорода-частично положительно.