Хімія. Повторне видання. 8 клас. Савчин

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

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

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

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

Ковалентний зв’язок — зв’язок, що утворюється за рахунок перекривання атомних орбіталей.

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 5-орбіталі частково перекриваються. Місце перекривання атомних орбіталей характеризує підвищена електронна густина (рис. 25).

Рис. 25. Схема утворення молекули водню

Підвищення електронної густини в місці перекривання атомних орбіталей 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 зобразити, позначивши неспарений електрон зовнішнього енергетичного рівня однією крапкою, а спільну електронну пару — двома. Наприклад:

У сполуках молекулярної будови 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 р-електрон. Такий енергетичний рівень наявний у галогенів. Наприклад, електронна оболонка атома Хлору має 17 електронів. Електронна формула — 1s²2s²2р⁶3s²3р⁵. Як і в атома Гідрогену, до завершення енергетичного рівня атома Хлору бракує одного електрона. Тому, за умови зближення двох атомів Хлору, перекриваються атомні орбіталі двох неспарених р-електронів. Енергетичний рівень стає завершеним. Це пояснюється тим, що кожний атом має три пари атомних орбіталей, що належать тільки йому, і пару усуспільнених (спільних). Утворюється молекула хлору, що складається з двох атомів — Cl₂.

Електронна формула цієї молекули має такий вигляд:

Графічна формула:

Cl — Cl.

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

У атомах багатьох неметалічних елементів наявні не один, а кілька неспарених електронів. Тому, утворюючи хімічний зв’язок, кожний з них проявляє здатність до розміщення другого електрона на атомній орбіталі, тобто утворити пару з атомною орбіталлю іншого електрона.

Кількість електронних пар, що можуть утворити двоатомні молекули, може бути різною: одна, як у молекулі водню, дві або три. Це визначає кратність ковалентного зв’язку. У молекулах водню і хлору, як уже зазначалося, — одинарний. Якщо участь в утворенні ковалентного зв’язку беруть дві атомні орбіталі — подвійний, а коли три — потрійний.

Треба відзначити, що під час утворення ковалентного зв’язку, віддаль між центрами атомів, що утворюють електронні пари, менша за подвійні радіуси їхніх окремих атомів.

• З’ясуйте, скільки неспарених електронів в електронних оболонках атомів Оксигену та Нітрогену, і визначте кратність зв’язків. Назвіть ці зв’язки.

Отже, під час утворення ковалентного зв’язку в молекулі водню кожний атом Гідрогену завдяки спільній електронній парі набуває двоелектронної конфігурації, а під час утворення молекул хлору та кисню кожна стійка конфігурація атома утворюється завдяки восьми електронам.

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

Ковалентний неполярний зв’язок — зв’язок, який утворюється між атомами з однаковою електронегативністю на основі спільних електронних пар, розміщених симетрично від обох ядер атомів.

Такий тип хімічного зв’язку виникає в молекулах простих речовин, утворених неметалічними елементами: Н₂, F₂, O₂, N₂, Cl₂, Br₂, I₂.

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

Рис. 26. Модель молекули гідроген хлориду

Вам відомо, що атом Гідрогену має один неспарений s-електрон, а атом Хлору — неспарений р-електрон. Спільна електронна пара утворюватиметься саме цими електронами (рис. 27). Оскільки атом Хлору проявляє більшу електронегативність, ніж атом Гідрогену, то спільна електронна пара зміщуватиметься ближче до Хлору. Завдяки цьому молекула гідроген хлориду стає полярною. На полюсах молекули концентруються два часткові заряди, однакові за значенням, 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; він набуває частково негативного заряду δ^- (читають «дельта»). Відповідно атом, від якого змістилася електронна пара, тобто атом з меншою електронегативністю, має частково позитивний заряд δ⁺. Часткові заряди за абсолютним значенням є меншими від одиниці.

Такий тип хімічного зв’язку називають ковалентним полярним. Він утворюється в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів. Наприклад: HF, CH₄, CO₂ тощо.

Ковалентний полярний зв’язок — зв’язок, що утворюється між атомами з різною електронегативністю за рахунок спільних електронних пар.

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

Як і за ковалентного неполярного зв’язку, електрони, що утворюють цей зв’язок, називають валентними.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Ковалентний зв’язок — зв’язок, що утворюється завдяки спільним електронним парам.

• Ковалентний неполярний зв’язок — зв’язок, який утворюється між атомами з однаковою електронегативністю завдяки спільним електронним парам, розміщеним 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. Наявний у молекулах складних речовин, утворених неметалічними елементами.

• Атом, до якого зміщена електронна пара і який має більшу електронегативність, набуває частково негативного заряду δ^-. Атом, від якого змістилася електронна пара й, відповідно, атом з меншою електронегативністю, має частково позитивний заряд δ⁺.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення ковалентного зв’язку.

2. Назвіть види ковалентного зв’язку. Сформулюйте їхні 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, I₂, H₂S, CaS, N₂.

6. Складіть електронні та структурні формули сполук із ковалентним зв’язком, що подані формулами в завданні 5.

7. Зобразіть схеми перекривання:

• а) двох s-орбіталей;
• б) s- і р-орбіталей;
• в) двох р-орбіталей.

Наведіть приклади сполук з такими зв’язками.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Англійський учений Гаролд Крото і його колеги Р. Кьорл і Р. Смоллі вивчали випаровування графіту за допомогою лазера. Вони синтезували цікаві за формою вуглецеві молекули, що нагадували футбольний м’яч. Ці молекули назвали фулеренами.

Фулерени — величезна кількість молекул, що складаються з атомів Карбону, які з’єднуються між собою, утворюючи сферичну конструкцію. Залежно від кількості атомів Карбону трапляються фулерени різних типів, наприклад, фулерен С₂₀ містить 20 атомів. Існують також інші: С₂₄, С₂₈, ..., С₆₀, С₇₀ і навіть С₂₀₀. Найстійкішим з-поміж цих модифікацій є фулерен С₆₀ (рис. 28).

Біологів і фармацевтів зацікавили відкриття та синтез цих речовин, оскільки С₆₀ є сильним антиоксидантом, що виводить з організму вільні радикали (групи атомів, які, накопичуючись в організмі, спричиняють різні захворювання). Перед ученими виникла проблема введення молекул фулеренів в організм із лікувальною метою. Для її розв’язання фулерен С₆₀ вбудовують у молекули води. Унаслідок цього створюється водне середовище, як і в здорових клітинах організму. Вживання води з гідратованим фулереном сприяє видужуванню хворих та омолодженню організму, підвищує його захисні функції.

Рис. 28. Модель молекули фулерену С₆₀