Конспект урока: Ковалентная химическая связь

Электростатическая природа химической связи

По современным данным, химическая связь имеет  электростатическую природу , т. е. определяется действием кулоновских сил (сил притяжения частиц с разноимёнными зарядами и отталкивания частиц с одноимёнными зарядами). В отдельном атоме электроны притягиваются только к ядру собственного атома. При сближении двух атомов начинают действовать силы отталкивания между ядрами атомов и между электронами обоих атомов. Но, кроме сил отталкивания, возникают и силы притяжения между электронами одного атома и ядром другого. В молекулах электроны каждого атома получают возможность притягиваться к двум или нескольким ядрам. Так возникает взаимодействие между атомами, которое и называется  химической связью .

Рис. 1. Образование ковалентной химической связи

При этом устанавливается равновесие между силами отталкивания и притяжения. Энергия образовавшейся молекулы или кристалла понижается в процессе образования химических связей и оказывается меньше, чем сумма энергий изолированных атомов. Следовательно, при образовании химической связи всегда должна выделяться энергия. Это является необходимым условием образования любой химической связи.

Стремление атомов к понижению своей энергии, т. е. к достижению более устойчивого, стабильного состояния и является основной причиной образования химической связи между двумя или более атомами. Это ещё одна иллюстрация всеобщего принципа природы — стремления к максимально устойчивому состоянию, т. е. к состоянию с минимально возможным значением энергии. 

Ковалентная связь, механизм её образования

Рассмотрим механизм образования связи в молекуле хлора ${\mathrm{Cl}}_2$. У каждого атома хлора на внешнем энергетическом уровне находится по семь электронов. 

$\mathrm{Cl} +17 \underset{2}{)} \underset{8}{)} \underset{7}{)}$

Следовательно, до завершения этого уровня (т. е. до построения устойчивой электронной структуры атома ближайшего благородного газа аргона Ar) не хватает одного электрона. При сближении атомов ядро каждого из них притягивает к себе электронное облако другого. В результате облака обоих атомов проникают друг в друга или перекрываются так, что между ядрами возникает область повышенного отрицательного заряда, которую обычно называют областью повышенной электронной плотности . Ядра атомов притягиваются к этой области до тех пор, пока не наступит равновесие между силами межъядерного отталкивания и силами притяжения. Между атомами возникает прочное взаимодействие, которое и называется химической связью. 

Каждый атом хлора получил по недостающему электрону на внешний электронный слой, тем самым завершив его. При этом образуется общая электронная пара, которая принадлежит обоим атомам одновременно. Точками на схемах при химическом знаке элемента обозначаются электроны внешнего электронного слоя, а двумя точками в формуле — пара электронов. С помощью такого обозначения можно изобразить формулу вещества.

Между двумя атомами может возникать и большее число связей. В таких случаях говорят о кратности связи , понимая под этим термином число электронных пар, участвующих в образовании ковалентной связи.

Например, атомам кислорода, элемента VIA-группы, до завершения внешнего электронного слоя необходимо 2 электрона. Поэтому 2 атома кислорода при образовании молекулы O₂ образуют не одну, а две общие электронные пары.

Они связываются между собой двойной ковалентной связью, при этом у каждого атома остаётся ещё по две пары электронов на внешнем электронном слое. 

Электронная формула молекулы кислорода ${\mathrm{O}}_2: \mathrm{O} :: \mathrm{O}$.

Структурная (графическая) формула: $\mathrm{O} = \mathrm{O}$.

Среди атомов всех химических элементов наиболее стабильным электронным строением обладают атомы благородных газов. У атомов гелия на внешнем электронном слое находится 2 электрона. У атомов остальных элементов VIIIA-группы — 8 электронов. Следовательно, у этих атомов внешний электронный слой полностью завершён. Это и является причиной их инертности (в переводе с латинского языка — означает «бездеятельность»). При обычных условиях инертные элементы практически не взаимодействуют с другими атомами и не образуют химических соединений, их молекулы одноатомны. Атомы же других химических элементов стремятся приобрести электронное строение атомов ближайшего благородного газа, так как оно является наиболее стабильным.

Строение веществ с ковалентным типом связи

Ковалентная связь определяет два типа решёток:  молекулярные и атомные .

Вещества с атомной кристаллической решёткой образованы нейтральными атомами, связанными друг с другом ковалентными связями. Вещества с атомным строением (например, алмаз, кремний, кварц, песок, графит) характеризуются большой твёрдостью и высокими температурами плавления и кипения.

Вещества с молекулярной кристаллической решёткой образованы молекулами. Вещества с молекулярным строением (простые: Н₂, I₂, S₈, He; сложные: СО₂, Н₂О, С₆Н₁₂О₆) летучи, имеют низкие температуры плавления и кипения.

Химическая связь, образованная общими электронными парами, называется ковалентной. При объединении неспаренных валентных электронов атомов неметаллов образуются общие электронные пары.

Ковалентная связь, образованная одной электронной парой, называется одинарной, двумя — двойной и тремя общими электронными парами — тройной связью.

При образовании химической связи атомы получают завершенный внешний электронный слой.