Хімія. 8 клас. Савчин

§ 14. Ковалентний зв’язок. Полярний і неполярний ковалентний зв’язок

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • розрізняти ковалентний полярний і неполярний зв’язки;
  • знати механізм утворення ковалентного зв’язку;
  • розуміти поняття «диполь», «частково негативний заряд» і «частково позитивний заряд», «валентні електрони»;
  • наводити приклади сполук із ковалентним неполярним і полярним зв’язками;
  • характеризувати особливості ковалентного зв’язку.

Ковалентний неполярний зв’язок. Ковалентний зв’язок виникає між атомами неметалічних елементів. Щоб енергетичний рівень в атомів неметалічних елементів довершився, вони утворюють спільні електронні пари.

Ковалентний зв’язок — це зв’язок, що утворюється за рахунок спільних електронних пар.

Розкриємо механізм утворення ковалентного зв’язку на прикладі молекули водню Н2. Вам уже відомо, що в атомі Гідрогену міститься один s-електрон, який під час руху навколо ядра утворює s-орбіталь. Електронна формула атома Гідрогену — 1s1. Для утворення стійкої конфігурації йому бракує одного електрона.

Під час зближення двох атомів ядро першого притягує електронну орбіталь другого, а ядро другого — електронну орбіталь першого. За такої взаємодії електронні s-орбіталі частково перекриваються. Місце перекривання електронних хмар характеризується підвищеною електронною густиною (рис. 24).

Рис. 24. Схема утворення молекули водню

Підвищення електронної густини в місці перекривання електронних хмар не дає ядрам відштовхнутися й забезпечує міцність зв’язку. Обидва електрони перебувають у спільному користуванні двох атомів. Електронна оболонка набуває стійкої конфігурації — 1s2.

Оскільки ядра атомів мають однаковий заряд, то перекривання електронних хмар відбувається симетрично від обох ядер.

Схему утворення ковалентного зв’язку можна подати, позначивши неспарений електрон зовнішнього енергетичного рівня однією крапкою, а спільну електронну пару — двома. Наприклад:

У молекулярних сполуках використовують також графічні формули. У них спільну електронну пару заміняють рискою:

Н — Н.

Розглянемо випадок утворення спільної електронної пари, коли на зовнішньому енергетичному рівні є один неспарений p-електрон. Такий енергетичний рівень наявний у галогенів. Наприклад, електронна оболонка атома Хлору має 17 електронів. Електронна формула — 1s22s22p63s23p5. Як і в атома Гідрогену, до завершення енергетичного рівня атому Хлору бракує 1 електрона. Тому, за умови зближення двох атомів Хлору, перекриваються електронні хмари двох неспарених р-електронів. Енергетичний рівень стає завершеним, бо навколо ядер атомів уже рухаються три пари електронів, що належать кожному атому, і пара усуспільнених (спільних). Таким чином, енергетичний рівень стає завершеним. Утворюється молекула хлору, що складається з двох атомів — Сl2.

Електронна формула цієї молекули має такий вигляд:

Графічна формула: Сl — Сl.

У цих двох випадках утворюється одна спільна електронна пара. Такий зв’язок називають одинарним, а електрони, що його утворюють, — валентними.

Однак необхідно зазначити про наявність атомів, що утворюють не одну, а кілька електронних пар. Для прикладу розглянемо утворення ковалентного зв’язку в молекулі кисню. У її утворенні беруть участь два атоми Оксигену, для яких властива така електронна будова: 1s22s22p4, тобто на зовнішньому енергетичному рівні є два спарені s-електрони та два неспарені p-електрони. До завершення рівня бракує двох електронів.

Ви, мабуть, уже здогадалися, що під час зближення атомів усуспільнюються два електрони, утворюючи при цьому дві пари спарених. Неспарені p-електрони атомів Оксигену розташовуються умовно у двох взаємно перпендикулярних площинах, описуючи p-орбіталі, які утворюють зв’язки (рис. 25).

Рис. 25. Утворення спільних електронних пар у молекулі кисню

Електронну формулу молекули кисню зображують так:

Напишіть самостійно графічну формулу молекули кисню.

Як бачимо, у випадку утворення молекули кисню формуються дві електронні пари. Такий тип зв’язку називають подвійним.

З’ясуйте, скільки неспарених електронів в електронній оболонці атома Нітрогену, і визначте, скільки спільних електронних пар утворюється. Назвіть цей зв’язок.

Отже, під час утворення ковалентного зв’язку в молекулі водню кожний атом Гідрогену за рахунок спільної електронної пари набуває двоелектронної конфігурації. У двох інших випадках під час утворення молекул хлору та кисню кожна стійка конфігурація атома досягається за рахунок восьми електронів.

У всіх випадках ковалентний зв’язок утворювався між атомами з однаковою електронегативністю, через це утворені спільні електронні пари розташовуються симетрично між ядрами атомів. Такий зв’язок називають ковалентним неполярним.

Ковалентний неполярний зв’язок — це зв’язок, який утворюється між атомами з однаковою електронегативністю за рахунок спільних електронних пар, що розташовані симетрично від обох ядер атомів.

Такий тип хімічного зв’язку виникає в молекулах простих речовин, утворених неметалічними елементами: Н2, F2, О2, Ν2, Сl2, Вr2, І2.

Ковалентний полярний зв’язок. Якщо взаємодіють атоми з різною електронегативністю (атоми різних хімічних елементів), то утворена спільна електронна пара буде зміщуватися до атома, що проявляє більшу електронегативність. Пояснимо це на прикладі утворення молекули гідроген хлориду НСl (рис. 26).

Рис. 26. Модель молекули гідроген хлориду

Вам уже відомо, що атом Гідрогену має один неспарений s-електрон, а атом Хлору — неспарений р-електрон. У цьому випадку спільна електронна пара утворюватиметься саме цими електронами (рис. 27).

Оскільки атом Хлору проявляє більшу електронегативність, ніж атом Гідрогену, то спільна електронна пара зміщується ближче до Хлору. Завдяки цьому молекула гідроген хлориду стає полярною. На полюсах цієї молекули концентруються два часткові заряди, однакові за величиною, але різні за знаком.

Рис. 27. Спрощена схема утворення ковалентного зв’язку в молекулі гідроген хлориду

Атом, до якого зміщена електронна пара, характеризується більшою електронегативністю і набуває частково негативного заряду δ- (читається — «дельта»). Відповідно атом, від якого змістилася електронна пара, тобто той, у якого менша електронегативність, має частково позитивний заряд δ+. Часткові заряди за абсолютним значенням є меншими від одиниці.

Такий тип хімічного зв’язку називають ковалентним полярним. Утворюється в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів. Наприклад: HF, СН4, СО2 тощо.

Ковалентний полярний зв’язок — це зв’язок, що утворюється між атомами з різною електронегативністю на основі спільних електронних пар.

Запропонуйте формули складних сполук, у яких, на ваш погляд, наявний ковалентний полярний зв’язок.

Як у випадку утворення ковалентного неполярного зв’язку, електрони, що утворюють цей зв’язок, називають валентними.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

  • Ковалентний зв’язок — це зв’язок, що утворюється за рахунок спільних електронних пар.
  • Ковалентний неполярний зв’язок — це зв’язок, який утворюється між атомами з однаковою електронегативністю за рахунок спільних електронних пар, що розташовані симетрично від обох ядер атомів. Цей тип зв’язку наявний у молекулах простих речовин, утворених неметалічними елементами.
  • Ковалентним полярним зв’язком називають зв’язок, що утворюється між атомами з різною електронегативністю на основі спільних електронних пар. Присутній у молекулах складних речовин, утворених неметалічними елементами.
  • Атом, до якого зміщена електронна пара і який характеризується більшою електронегативністю, набуває частково негативного заряду δ-. Атом, від якого змістилася електронна пара й, відповідно, з меншою електронегативністю, має частково позитивний заряд δ+.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Сформулюйте визначення ковалентного зв’язку.
  • 2. Назвіть види ковалентного зв’язку. Сформулюйте їх визначення.
  • 3. Поясніть, як між атомами неметалічних елементів утворюються спільні електронні пари.
  • 4. Охарактеризуйте подібність і відмінність між ковалентним неполярним і ковалентним полярним зв’язками.
  • 5. Укажіть формули сполук із: а) ковалентним неполярним; б) ковалентним полярним зв’язками: HF, F2, NaBr, ZnCl2, H2SO4, O2, KF, NH3, l2, H2S, CaS, N2.
  • 6. Напишіть електронні та структурні формули сполук із ковалентним зв’язком, що подані формулами в завданні 5.
  • 7. Нарисуйте схеми перекривання: а) двох s-орбіталей; б) s- і р-орбіталей; в) двох р-орбіталей. Наведіть приклади сполук із такими зв’язками.

ЦІКАВО ЗНАТИ

  • Англійський учений Харолд Κρότο та його колеги Р. Кьорл і Р. Смоллі вивчали випарування графіту з допомогою лазера. Їм удалося синтезувати цікаві за формою вуглецеві молекули, що нагадували футбольний м’яч. Ці молекули назвали фуллеренами.

Фуллерени — це величезна кількість молекул, що складаються з атомів Карбону, які з’єднуються між собою, утворюючи сферичну конструкцію. Залежно від кількості атомів Карбону трапляються фуллерени різних типів, наприклад: С20 містить 20 атомів. Існують й інші: С24, С28 .... С60, С70 і навіть С200. Найстійкішим серед цих модифікацій є фуллерен C60 (рис. 28).

Біологів і фармацевтів зацікавили відкриття й синтез цих речовин, оскільки С60 є сильним антиоксидантом, що виводить із організму вільні радикали. Останні, накопичуючись в організмі, спричиняють різні захворювання. Перед ученими виникла проблема введення молекул фуллеренів в організм із лікувальною метою. Для її вирішення фуллерен С60 вбудовують у молекули води. Унаслідок цього створюється водне середовище, як і в здорових клітинах організму. Вживання води з гідратованим фуллереном сприяє видужуванню хворих та омолодженню організму, підвищує його захисні функції.

Рис. 28. Модель молекули фуллерену C60