Ковалентная связь и ее характеристики

Понятие ковалентной связи

Ковалентная связь представляет собой химическое взаимодействие атомов, возникающее за счёт образования общих электронных пар. Атомы стремятся достичь устойчивой электронной конфигурации, напоминающей конфигурацию ближайшего благородного газа. При ковалентной связи перекрываются атомные орбитали, что приводит к совместному использованию электронов.

Ковалентная связь может возникать как между одинаковыми атомами, так и между разными. В первом случае она называется неполярной, во втором — полярной. Степень полярности определяется разностью электроотрицательностей взаимодействующих атомов.

Типы ковалентной связи

1. Неполярная ковалентная связь образуется между атомами с одинаковой или близкой электроотрицательностью. Электронная плотность распределена симметрично, общее электронное облако находится посередине между ядрами. Примеры: H₂, Cl₂, N₂.

2. Полярная ковалентная связь формируется между атомами с заметной разницей электроотрицательностей. Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому, что приводит к появлению частичных зарядов (δ⁺ и δ⁻). Примеры: HCl, H₂O, NH₃.

3. Координационная (донорно-акцепторная) связь представляет собой разновидность ковалентной связи, при которой оба электрона общей пары предоставляются одним атомом (донором), а другой атом (акцептор) лишь принимает их. Примеры: комплексные соединения аммиака с ионами металлов, образование иона аммония NH₄⁺.

Механизм образования

Ковалентная связь объясняется с точки зрения перекрывания атомных орбиталей. Возможны следующие типы перекрывания:

• σ-связь образуется при осевом перекрывании орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Это наиболее прочный и устойчивый тип связи.
• π-связь возникает при боковом перекрывании p-орбиталей. Она слабее σ-связи и всегда сопровождает её в кратных связях (двойных и тройных).

Таким образом, одинарная связь всегда является σ-связью, двойная состоит из одной σ- и одной π-связи, тройная — из одной σ- и двух π-связей.

Характеристики ковалентной связи

• Длина связи — расстояние между ядрами связанных атомов. Она зависит от размеров атомов и кратности связи. Чем выше кратность, тем меньше длина связи.
• Энергия связи — количество энергии, необходимое для разрыва связи. Энергия увеличивается с ростом кратности связи и уменьшением длины.
• Полярность — степень смещения электронной плотности к более электроотрицательному атому. Определяется разностью электроотрицательностей.
• Кратность — число общих электронных пар, связывающих атомы. Она влияет на прочность и геометрию молекулы.

Теории ковалентной связи

Для объяснения природы ковалентной связи используются различные теории:

1. Теория валентных связей (ВСТ) Согласно этой модели, связь возникает вследствие перекрывания атомных орбиталей и образования общих электронных пар. ВСТ хорошо объясняет локализацию связей, гибридизацию орбиталей, пространственную геометрию молекул.

2. Молекулярно-орбитальная теория (МОТ) В данной теории атомные орбитали объединяются в молекулярные орбитали, распределённые на всю молекулу. Электроны заполняют молекулярные орбитали в соответствии с принципами квантовой механики. МОТ успешно описывает явления делокализации электронов и магнитные свойства молекул.

Гибридизация орбиталей

Для объяснения пространственной структуры молекул используется понятие гибридизации. Гибридизация — это процесс смешивания атомных орбиталей с образованием новых гибридных орбиталей, равных по энергии.

• sp³-гибридизация — тетраэдрическая структура (например, CH₄).
• sp²-гибридизация — плоская треугольная структура (например, C₂H₄).
• sp-гибридизация — линейная структура (например, C₂H₂).

Гибридизация объясняет углы между связями, равенство связей в молекулах и особенности их пространственного строения.

Влияние ковалентной связи на свойства веществ

• Вещества с неполярными ковалентными связями обычно являются газами или летучими жидкостями, обладают низкими температурами плавления и кипения, не проводят электрический ток.
• Вещества с полярными связями могут образовывать водородные связи, что резко увеличивает температуры плавления и кипения, а также растворимость в воде.
• Кристаллы с ковалентной связью в трёх измерениях (алмаз, кремний, кварц) характеризуются чрезвычайной твёрдостью и высокой температурой плавления.

Особые случаи ковалентных связей

• Делокализованные связи встречаются в ароматических соединениях, где электронные пары распределены по всему кольцу (например, бензол).
• Резонанс возникает в случаях, когда реальное распределение электронов не может быть описано одной структурой. Он объясняет повышенную устойчивость некоторых молекул и ионов (например, SO₃, ион карбоната CO₃²⁻).