Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 6. Ковалентний зв’язок. Речовини молекулярної та атомної будови

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • узагальнити відомості про ковалентний зв’язок та його характеристики;
  • дізнатися про механізми утворення ковалентного зв’язку;
  • пояснити відмінності у властивостях речовин молекулярної та атомної будови.

Ковалентний зв’язок. Вам відомо, що ковалентний зв’язок виникає між двома атомами за рахунок утворення спільних електронних пар із неспарених електронів атомів. При зближенні атомів на певну відстань їхні орбіталі з неспареними електронами починають перекриватися, а ці електрони — постійно переходити від одного атома до іншого. Так формуються спільні електронні пари.

Ковалентним зв’язком сполучені атоми не лише в речовинах, а й у складних йонах (наприклад, ОН-, SO2-4, РО3-4).

Характеристики ковалентного зв’язку. Ковалентний зв’язок характеризують, указуючи передусім його кратність. Атоми в молекулах водню і галогенів сполучені простим ковалентним зв’язком, а в молекулах кисню й азоту — подвійним і потрійним зв’язком відповідно:

Цікаво знати

Простий зв’язок іноді називають одинарним зв’язком.

Ви знаєте, що простий зв’язок виникає внаслідок перекривання орбіталей з утворенням однієї спільної ділянки:

Подвійний зв’язок має два складники, а потрійний — три. Їх докладно розглядали в 10 класі на прикладах молекул вуглеводнів — етену С2Н4, або Н2С=СН2, і етину С2Н2, або НС≡СН. Один складник подвійного і потрійного зв’язків — спільна електронна пара, яка утворилася внаслідок перекривання орбіталей в одній ділянці простору. Другий складник (їх у потрійному зв’язку — два) зумовлений перекриванням відповідних орбіталей на двох ділянках простору:

Які орбіталі в молекулах кисню і азоту перекриваються і як саме?

У молекулах бензену С6Н6 і деяких інших органічних сполук реалізується особливий ковалентний зв’язок між атомами Карбону, сполученими в замкнений ланцюг. Одним зі складників цього зв’язку є система із шістьох усуспільнених p-електронів:

Цю систему зображують у структурній формулі молекули колом усередині шестикутника:

Важливою характеристикою ковалентного зв’язку є його полярність чи неполярність. Спільна електронна пара може зміщуватися в бік одного з двох атомів — того, який є більш електронегативним. На ньому виникає невеликий негативний заряд, менший за одиничний, а на іншому атомі — такий самий за величиною, але позитивний заряд: Відповідний ковалентний зв’язок є полярним: Н → Вr. Якщо зміщення спільної електронної пари немає (атоми належать одному елементу або різним елементам з однаковою електронегативністю), зв’язок є неполярним.

Цікаво знати

Заряди на атомах у молекулі НВr становлять +0,12 (Н) і -0,12(Вr).

Укажіть формули молекул з полярним і неполярним ковалентним зв’язком: Вr2, Н2О, SCl4, РН3, Сl2О7.

Ковалентний зв’язок дуже міцний; для його руйнування потрібно витратити значну енергію. Наприклад, молекули хлору Сl—Сl починають розпадатися на атоми при 1000 °С, а молекули азоту N≡N — за температури понад 3000 °С.

У кратних ковалентних зв’язках один зі складників має більшу «міцність», ніж інший (інші). Ви переконалися в цьому, вивчаючи хімічні властивості етену й етину. Ненасичені вуглеводні вступають у реакції з воднем, галогенами, галогеноводнями, перетворюючись на насичені сполуки. При цьому розриваються слабші складники подвійного або потрійного зв’язків між атомами Карбону, і ці зв’язки перетворюються на прості:

Механізми утворення ковалентного зв’язку. Розглянутий на початку параграфа механізм утворення ковалентного зв’язку через формування спільних електронних пар із неспарених електронів атомів називають обмінним·, атоми ніби обмінюються такими електронами. За цим механізмом з атомів утворюються молекули кисню, азоту, води, сірководню, амоніаку тощо. Так, у молекулі амоніаку NH3 неспарені електрони атома Нітрогену

разом із 1s-електронами атомів Гідрогену беруть участь в утворенні трьох спільних електронних пар (трьох простих ковалентних зв’язків):

Існує інший механізм, за яким виникає ковалентний зв’язок. Розглянемо його на прикладі утворення йона амонію ΝH+4:

NH3 + Н+ = NH+4.

Сполучення двох частинок відбувається під час взаємодії амоніаку з розчином кислоти1, в якому містяться катіони Гідрогену (внаслідок електролітичної дисоціації кислоти). При контакті молекули амоніаку NH3 з йоном Н+ пара 2s-електронів атома Нітрогену переходить у порожню 1s-орбіталь йона Гідрогену

1 Про ці реакції йдеться в § 19.

і стає спільною для обох частинок. Між ними виникає ковалентний зв’язок за так званим донорно-акцепторним механізмом; атом Нітрогену є донором електронної пари, а катіон Гідрогену — її акцептором1:

1 Слово походить від англійського accept — приймати.

Отже, у йоні амонію NH+4 є чотири прості ковалентні зв’язки. Вони однакові, хоча механізми їх утворення різні. Нітроген у цьому йоні чотиривалентний (така валентність для елемента максимальна), а його ступінь окиснення становить -3.

Йон NH+4, як і молекула метану СН4, має тетраедричну будову (мал. 5).

Мал. 5. Модель йона NH+4

• У 10 класі ви дізналися, що аміни реагують з кислотами. Поясніть утворення йона метиламонію CH3NH+3 при сполученні молекули метиламіну CH3NH2 з йоном Н+.

Із катіоном Гідрогену може сполучатися молекула води. Цей процес також відбувається за донорно-акцепторним механізмом. Одна із двох електронних пар атома Оксигену молекули Н2О переходить у вільну 1s-орбіталь йона Н+, і між цими частинками утворюється ковалентний зв’язок. Продукт такої взаємодії — йон Н3О+ (мал. 6):

Саме ці йони містяться у водних розчинах кислот, а в дуже незначній кількості — у воді.

Мал. 6. Модель йона Н3О+

Речовини молекулярної та атомної будови. Ковалентним зв’язком сполучаються атоми в молекулах неметалів, кислотних оксидів, кислот, сполук неметалічних елементів з Гідрогеном, органічних речовин — вуглеводнів, спиртів, альдегідів, амінів, білків тощо (мал. 7).

Мал. 7. Речовини молекулярної будови

Ви знаєте, що багато речовин молекулярної будови мають запах (серед них — ванілін, оцтова кислота, амоніак, сірководень, бензен), досить низькі температури плавлення і кипіння. Це зумовлено тим, що молекули притягуються одна до одної дуже слабко.

Існує невелика кількість простих і складних речовин атомної будови; у них усі атоми сполучені ковалентним зв’язком, і часточка (кристалик) такої речовини є ніби однією гігантською молекулою. Таку будову мають, зокрема, графіт, алмаз, червоний фосфор, силіцій(ІV) оксид (мал. 8).

Мал. 8. Речовини атомної будови

Речовини атомної будови не розчиняються у воді, органічних розчинниках, плавляться переважно при дуже високих температурах. Алмаз, силіцій карбід SiC, бор нітрид BN вирізняються найбільшою твердістю.

ВИСНОВКИ

Ковалентний зв’язок утворюється між атомами внаслідок формування спільних електронних пар. Вони з’являються за рахунок об’єднання неспарених електронів обох атомів (обмінний механізм) або зміщення неподіленої електронної пари одного атома у вільну орбіталь іншого (донорно-акцепторний механізм).

Ковалентний зв’язок вирізняється достатньою міцністю. Він існує в речовинах молекулярної та атомної будови, а також у складних йонах.

Для ковалентного зв’язку зазначають кратність (розрізняють простий, подвійний, потрійний зв’язок), полярність чи неполярність.

Речовини молекулярної та атомної будови істотно різняться за фізичними властивостями.

  • 47. Серед наведених формул укажіть ті, що відповідають речовинам із ковалентним зв’язком: Mgl2, СН4, SO2, SiCl4, Na2S.
  • 48. Охарактеризуйте хімічний зв’язок у молекулі хлороводню. Зобразіть перекривання відповідних орбіталей атомів, укажіть кратність зв’язку. Полярним чи неполярним є зв’язок між атомами Гідрогену і Хлору? Відповідь обґрунтуйте.
  • 49. У формулах речовин Сl2О і NH3 із ковалентними полярними зв’язками підкресліть атом більш електронегативного елемента й зазначте заряди на атомах, використавши літеру δ.
  • 50. Складіть графічну формулу молекули гідроген пероксиду Н2О2. Який зв’язок у цій молекулі є неполярним? Які значення валентності та ступеня окиснення має кожний елементу сполуці?
  • 51. Порівняйте обмінний і донорно-акцепторний механізми утворення ковалентного зв’язку. Поясніть назви обох механізмів.
  • 52. Молекула BF3 сполучається з йоном F- завдяки утворенню ковалентного зв’язку за донорно-акцепторним механізмом. Запишіть формулу йона — продукту цієї взаємодії. Яка частинка є донором електронної пари, а яка — її акцептором? Яку орбіталь надає акцептор для розміщення електронної пари донора? Зважте на те, що атом Бору перебуває в молекулах і складних йонах у збудженому стані.
  • 53. Які речовини серед наведених у переліку є молекулярними: пропан, негашене вапно, метанол, сірководень, срібло? Які ознаки вказують на це?
  • 54. Чому карбон(ІV) оксид і силіцій(ІV) оксид мають різні фізичні властивості, хоча в них реалізується один тип хімічного зв’язку — ковалентний?
  • 55. Бор — проста речовина елемента з такою самою назвою — плавиться за температури 2075 °С, вирізняється високою твердістю. Молекулярну чи атомну будову має бор?