Защо атомите могат да се комбинират един с друг, за да образуват молекули? Каква е причината за възможното съществуване на вещества, които включват атоми на напълно различни химични елементи? Това са глобални проблеми, засягащи фундаменталните концепции на съвременната физична и химическа наука. Можете да им отговорите, като имате представа за електронната структура на атомите и знаете характеристиките на ковалентната връзка, която е основната основа за повечето класове съединения. Целта на нашата статия е да се запознаем с механизмите на образуване на различни видове химични връзки и особеностите на свойствата на съединенията, които ги съдържат в своите молекули.
Електронна структура на атома
Електронеутралните частици на материята, които са нейните структурни елементи, имат структура, която отразява структурата на Слънчевата система. Както планетите се въртят около централната звезда – Слънцето, така и електроните в атома се движат около положително зареденото ядро. Да се характеризираПри ковалентна връзка електроните, разположени на последното енергийно ниво и най-отдалеченото от ядрото, ще бъдат значителни. Тъй като връзката им с центъра на собствения им атом е минимална, те могат лесно да бъдат привлечени от ядрата на други атоми. Това е много важно за възникването на междуатомни взаимодействия, водещи до образуването на молекули. Защо молекулярната форма е основният вид съществуване на материята на нашата планета? Нека разберем.
Основно свойство на атомите
Способността на електрически неутралните частици да взаимодействат, което води до увеличаване на енергията, е най-важната им характеристика. Всъщност при нормални условия молекулярното състояние на материята е по-стабилно от атомното състояние. Основните положения на съвременната атомна и молекулярна теория обясняват както принципите на образуването на молекули, така и характеристиките на ковалентната връзка. Припомнете си, че външното енергийно ниво на атома може да съдържа от 1 до 8 електрона, като в последния случай слоят ще бъде пълен, което означава, че ще бъде много стабилен. Атомите на благородните газове имат такава структура на външно ниво: аргон, криптон, ксенон - инертни елементи, които завършват всеки период в системата на Д. И. Менделеев. Изключение тук е хелият, който има не 8, а само 2 електрона в последното ниво. Причината е проста: в първия период има само два елемента, чиито атоми имат един електронен слой. Всички други химични елементи имат от 1 до 7 електрона на последния, непълен слой. В процеса на взаимодействие един с друг, атомите щестремят се да бъдат запълнени с електрони до октет и възстановяват конфигурацията на атом на инертен елемент. Такова състояние може да се постигне по два начина: чрез загуба на собствени или чрез приемане на чужди отрицателно заредени частици. Тези форми на взаимодействие обясняват как да се определи дали ще се образува йонна или ковалентна връзка между реагиращите атоми.
Механизми за формиране на стабилна електронна конфигурация
Нека си представим, че две прости вещества влизат в реакцията на съединението: метален натрий и газообразен хлор. Образува се вещество от класа соли - натриев хлорид. Има йонен тип химическа връзка. Защо и как се е получило? Нека се обърнем отново към структурата на атомите на изходните вещества. Натрият има само един електрон на последния слой, слабо свързан с ядрото поради големия радиус на атома. Йонизационната енергия на всички алкални метали, включително натрий, е ниска. Следователно електронът на външното ниво напуска енергийното ниво, привлича се от ядрото на хлорния атом и остава в неговото пространство. Това създава прецедент за прехода на атома Cl във формата на отрицателно зареден йон. Сега вече не имаме работа с електрически неутрални частици, а със заредени натриеви катиони и хлорни аниони. В съответствие със законите на физиката между тях възникват сили на електростатично привличане и съединението образува йонна кристална решетка. Разгледаният от нас механизъм на образуване на йонния тип химична връзка ще помогне да се изяснят по-ясно спецификата и основните характеристики на ковалентната връзка.
Споделени електронни двойки
Ако възникне йонна връзка между атоми на елементи, които са много различни по електроотрицателност, т.е. метали и неметали, тогава ковалентният тип се появява, когато атоми на едни и същи или различни неметални елементи взаимодействат. В първия случай е обичайно да се говори за неполярна, а в другия - за полярната форма на ковалентна връзка. Механизмът на тяхното образуване е общ: всеки от атомите частично дава електрони за обща употреба, които се комбинират по двойки. Но пространственото подреждане на електронните двойки спрямо ядрата на атомите ще бъде различно. На тази основа се разграничават видовете ковалентни връзки - неполярни и полярни. Най-често в химични съединения, състоящи се от атоми на неметални елементи, има двойки, състоящи се от електрони с противоположни завъртания, тоест въртящи се около ядрата си в противоположни посоки. Тъй като движението на отрицателно заредени частици в пространството води до образуването на електронни облаци, което в крайна сметка завършва с тяхното взаимно припокриване. Какви са последствията от този процес за атомите и до какво води?
Физически свойства на ковалентна връзка
Оказва се, че между центровете на два взаимодействащи атома има двуелектронен облак с висока плътност. Електростатичните сили на привличане между самия отрицателно зареден облак и ядрата на атомите се увеличават. Освобождава се част от енергията и разстоянията между атомните центрове намаляват. Например, в началото на образуването на молекула H2 разстоянието между ядрата на водородните атомие 1,06 A, след припокриване на облаци и образуване на обща електронна двойка - 0,74 A. Примери за ковалентна връзка, образувана по горния механизъм, могат да бъдат намерени както сред прости, така и сложни неорганични вещества. Основната му отличителна черта е наличието на общи електронни двойки. В резултат на това, след появата на ковалентна връзка между атоми, например водород, всеки от тях придобива електронната конфигурация на инертен хелий и получената молекула има стабилна структура.
Пространствена форма на молекула
Друго много важно физическо свойство на ковалентната връзка е насочеността. Зависи от пространствената конфигурация на молекулата на веществото. Например, когато два електрона се припокриват със сферичен облак, външният вид на молекулата е линеен (хлороводород или бромоводород). Формата на водните молекули, в която s- и p-облаците хибридизират, е ъгловата и много силните частици газообразен азот изглеждат като пирамида.
Структура на прости вещества - неметали
След като разбрахме какъв вид връзка се нарича ковалентна, какви признаци има, сега е време да се справим с нейните разновидности. Ако атомите на един и същи неметал - хлор, азот, кислород, бром и др., взаимодействат помежду си, тогава се образуват съответните прости вещества. Техните общи електронни двойки са разположени на същото разстояние от центровете на атомите, без да се изместват. За съединения с неполярен тип ковалентна връзка са присъщи следните характеристики: ниски точки на кипене итопене, неразтворимост във вода, диелектрични свойства. След това ще разберем кои вещества се характеризират с ковалентна връзка, в която настъпва изместване на общите електронни двойки.
Електроотрицателност и нейният ефект върху вида на химическата връзка
Свойството на даден елемент да привлича електрони от атом на друг елемент в химията се нарича електроотрицателност. Скалата от стойности за този параметър, предложена от Л. Полинг, може да се намери във всички учебници по неорганична и обща химия. Най-високата му стойност - 4,1 eV - има флуор, по-малката - други активни неметали, а най-ниският показател е характерен за алкалните метали. Ако елементите, които се различават по своята електроотрицателност, реагират един с друг, тогава неизбежно един, по-активен, ще привлече отрицателно заредени частици от атом на по-пасивен елемент към неговото ядро. По този начин физическите свойства на ковалентната връзка директно зависят от способността на елементите да даряват електрони за обща употреба. Получените общи двойки вече не са разположени симетрично спрямо ядрата, а са изместени към по-активния елемент.
Характеристики на съединения с полярна връзка
Веществата в молекулите, чиито съвместни електронни двойки са асиметрични по отношение на ядрата на атомите, включват халогеноводороди, киселини, съединения на халкогени с водород и киселинни оксиди. Това са сулфатни и нитратни киселини, оксиди на сяра и фосфор, сероводород и др. Например, една молекула на хлороводород съдържа една обща електронна двойка,образуван от несдвоени електрони на водород и хлор. Той е изместен по-близо до центъра на атома Cl, който е по-електроотрицателен елемент. Всички вещества с полярна връзка във водни разтвори се дисоциират на йони и провеждат електрически ток. Съединения, които имат полярна ковалентна връзка, примери за които дадохме, също имат по-високи точки на топене и кипене в сравнение с простите неметални вещества.
Методи за разрушаване на химически връзки
В органичната химия реакциите на заместване на наситени въглеводороди с халогени следват радикален механизъм. Смес от метан и хлор на светлина и при обикновена температура реагира по такъв начин, че молекулите на хлора започват да се разделят на частици, носещи несдвоени електрони. С други думи, наблюдава се разрушаването на общата електронна двойка и образуването на много активни радикали -Cl. Те са в състояние да въздействат върху молекулите на метана по такъв начин, че да разрушат ковалентната връзка между въглеродните и водородните атоми. Образува се активна частица –Н и свободната валентност на въглеродния атом поема хлорен радикал и хлорометанът става първият продукт от реакцията. Такъв механизъм за разделяне на молекулите се нарича хомолитичен. Ако общата двойка електрони напълно премине във владение на един от атомите, тогава те говорят за хетеролитичен механизъм, характерен за реакциите, протичащи във водни разтвори. В този случай полярните водни молекули ще увеличат скоростта на разрушаване на химическите връзки на разтвореното съединение.
Двойно и тройновръзки
Огромното мнозинство от органичните вещества и някои неорганични съединения съдържат в молекулите си не една, а няколко общи електронни двойки. Множеството на ковалентната връзка намалява разстоянието между атомите и повишава стабилността на съединенията. Обикновено се наричат химически устойчиви. Например, в молекула на азота има три двойки електрони, те са обозначени в структурната формула с три тирета и определят нейната сила. Простото вещество азот е химически инертен и може да реагира с други съединения, като водород, кислород или метали, само при нагряване или при повишено налягане, както и в присъствието на катализатори.
Двойните и тройните връзки са присъщи на такива класове органични съединения като ненаситени диенови въглеводороди, както и вещества от етиленовата или ацетиленовата серия. Множеството връзки определят основните химични свойства: реакции на добавяне и полимеризация, протичащи в точките на тяхното прекъсване.
В нашата статия дадохме общо описание на ковалентната връзка и разгледахме основните й типове.
