Ковалентная химическая связь

Вы уже знаете, что свойства химических элементов зависят от строения их атомов.

Также вам известно как взаимодействуют атомы элементов-металлов с атомами элементов-неметаллов, образуя ионную связь.

Металлы отдают свои внешние электроны и превращаются в положительные ионы (катионы), а неметаллы — принимают электроны на внешний энергетический уровень, превращаясь в отрицательные ионы (анионы). Ионы притягиваются друг к другу, образуя ионные соединения.

Катион — положительно заряженный ион.

Анион — отрицательно заряженный ион.

Как же осуществляется связь между атомами элементов-неметаллов, которые имеют схожую тенденцию к присоединению электронов?

{"questions":[{"content":"Катион — [[input-1]] заряженный ион.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":"положительно"}}},{"content":"Анион — [[input-6]] заряженный ион.","widgets":{"input-6":{"type":"input","inline":1,"answer":"отрицательно"}}}]}

Связь между атомами одного химического элемента

Изучение новой темы предлагаем начать с того, как осуществляется связь между атомами одного и того же химического элемента. Например, в веществах с двухатомными молекулами: хлор $Cl_2$, азот $N_2$, водород $H_2$.

Обращаем ваше внимание, что для записи состава таких веществ с помощью химических знаков также пользуются индексами.

Два одинаковых атома элемента-неметалла могут объединиться в молекулу только одним способом: обобществив свои внешние электроны, то есть сделав их общими для обоих атомов.

Для лучшего усвоения информации рассмотрите пример образования молекулы фтора $F_2$.

Фтор — элемент VII группы главной подгруппы (VIIA) Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Его атомы имеют на внешнем энергетическом уровне семь электронов, и каждому атому не хватает до его завершения только одного электрона.

Внешние электроны атома фтора образуют три электронные пары и один непарный электрон.

Если сближаются два атома, и у каждого из них есть по одному внешнему неспаренному электрону, то эти электроны «объединяются» и становятся общими для обоих атомов, тем самым формируя завершенный внешний восьмиэлектронный уровень.

Молекула фтора $F_2$ образуется по схеме:

Ковалентная (атомная) химическая связь — это химическая связь, возникающая в результате образования общих электронных пар.

Структурные формулы

Если общую электронную пару обозначить черточкой, то запись будет называться структурной формулой.

Структурная формула — это разновидность химической формулы, графически описывающая расположение и порядок связи атомов в ковалентном соединении.

Например, структурная формула молекулы фтора $F_2$:

{"questions":[{"content":"Соотнесите понятия[[matcher-18]]","widgets":{"matcher-18":{"type":"matcher","labels":["Ковалентная химическая связь —","Структурная формула —"],"items":["химическая связь, возникающая в результате образования общих электронных пар.","разновидность химической формулы, графически описывающая расположение и порядок связи атомов в ковалентном соединении."]}}}]}

Показат ответ

Скрыть ответ

Электронная схема образования молекул галогенов будет выглядеть так:

Структурная формула галогенов выглядит следующим образом:

Показать ответ

Скрыть ответ

В двухатомной молекуле хлора $Cl_2$ образуется ковалентная химическая связь. Происходит это по схеме:

Аналогично молекуле фтора $F_2$ образуется и двухатомная молекула водорода $H_2$:

Необходимо учесть, что завершенным для атома водорода будет двухэлектронный уровень, подобный завершенному уровню атома гелия $Не$.

Структурная формула молекулы водорода $H_2$:

{"questions":[{"content":"Кто впервые упомянул о существовании ковалентной связи?[[choice-39]]","widgets":{"choice-39":{"type":"choice","options":["Д. И. Менделеев","Г. Н. Льюис","А. Л. Лавуазье"],"explanations":["","Электронную теорию химической связи предложил в 1916 году американский химик Гилберт Ньютон Льюис (1875-1946).",""],"answer":[1]}}}]}

Представления об образовании ковалентной связи в молекуле водорода $H_2$ нужно строить на основании понятия электронного облака.

При сближении двух атомов водорода, имеющих по одному $s$-электронному облаку сферической формы, происходит перекрывание электронных облаков.

Возникает область, где плотность отрицательного заряда наиболее высокая и обладает повышенным отрицательным зарядом. Положительно заряженные ядра притягиваются к ней, и образуется молекула. Происходит это по следующей схеме:

Таким образом, химическая связь — это результат действия электрических сил. Отметим, что в основе образования ковалентной связи, как и при возникновении ионной связи, лежит взаимодействие противоположных зарядов.

Алгоритм записи схемы образования ковалентной связи

Предлагаем рассмотреть последовательность рассуждений при записи схемы образования ковалентной связи на примере молекулы азота $N_2$.

I) Азот — это элемент V группы главной подгруппы (VA группы). Его атомы имеют по пять электронов на внешнем уровне. Для определения числа неспаренных электронов используйте формулу:

$8-N=$ число неспаренных электронов,

где $N$ — номер группы химического элемента.

Соответственно, атом азота будет иметь $(8-5=3)$ три неспаренных электрона.

II) Запишите знаки химических элементов с обозначением внешних электронов таким образом, чтобы неспаренные электроны были обращены к соседнему знаку:

III) Запишите структурную формулу образовавшейся молекулы:

Если атомы связаны между собой одной общей электронной парой, то такую ковалентную связь называют одинарной, если двумя — двойной, если тремя — тройной.

Чем больше общих электронных пар у атомов в молекуле, тем прочнее связаны они между собой и тем меньше расстояние между ядрами атомов, которое называется длиной химической связи.

Длина химической связи — это расстояние между ядрами химически связанных атомов.

В молекулах фтора $F_2$ связь одинарная, и длина связи между ядрами атомов составляет $0.14$ нанометра ($1 нм=10^{-9}м$, или $0.000000001м$).

В молекулах азота $N_2$ связь тройная, и ее длина составляет $0.11 нм$. Чтобы разделить молекулу азота на отдельные атомы, нужно затратить примерно в семь раз больше энергии, чем для разрыва одинарных связей в молекуле фтора.

{"questions":[{"content":"Воспроизведите алгоритм записи схемы образования ковалентной связи, расположив действия по порядку: [[sorter-1]]","widgets":{"sorter-1":{"type":"sorter","items":["Определить количество электронов на внешнем уровне у атома элемента-неметалла.","Определить количество неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне атома элемента-неметалла.","Записать знаки химических элементов с обозначением внешних электронов таким образом, чтобы неспаренные электроны были обращены к соседнему знаку.","Записать схему образования ковалентной связи в молекуле неметалла.","Записать структурную формулу образовавшейся молекулы неметалла."]}}}]}

Показать ответ

Скрыть ответ

Увеличивается прочность связи и уменьшается ее длина в ряде соединений $CL_2$, $S_2$, $N_2$. Это можно объяснить разной кратностью связи.

У хлора $Cl_2$ семь электронов на внешнем энергетическом уровне и одна пара неспаренных электронов. В молекуле одинарная ковалентная связь.

У серы $S_2$ шесть электронов на внешнем энергетическом уровне и две пары неспаренных электронов. В молекуле двойная ковалентная связь.

У азота $N_2$ пять электронов на внешнем энергетическом уровне и три пары неспаренных электронов. В молекуле тройная ковалентная связь.

{"questions":[{"content":"Соотнесите:[[matcher-11]]","widgets":{"matcher-11":{"type":"matcher","labels":["Атомы связаны между собой одной общей электронной парой","Атомы связаны между собой двумя общими электронными парами","Атомы связаны между собой тремя общими электронными парами"],"items":["Одинарная ковалентная связь","Двойная ковалентная связь","Тройная ковалентная связь"]}}}]}

Показать ответ

Скрыть ответ

{"questions":[{"content":"Длина химической связи — это [[input-49]] между ядрами химически связанных атомов.","widgets":{"input-49":{"type":"input","inline":1,"answer":"расстояние"}}}]}

Часто задаваемые вопросы