Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

4.3. Ковалентний зв’язок

Ковалентний зв’язок¹ виникає між атомами неметалічних елементів завдяки утворенню між атомами однієї або кількох спільних електронних пар. Спільні електронні пари між атомами виникають завдяки наявності неспарених електронів зовнішнього енергетичного рівня (валентних), які й беруть участь в утворенні хімічного зв’язку.

¹ Термін «ковалентний зв’язок» було введено 1919 р. американським хіміком Ірвінгом Ленгмюром (1881-1957), лауреатом Нобелівської премії з хімії (1932).

Формули молекул речовин, у яких спільні ковалентні пари, а також електрони зовнішнього енергетичного рівня атомів позначені крапочками, називають електронними (кожний електрон позначають крапкою):

Якщо спільна електронна пара позначена рискою, то формулу речовини називають графічною:

Спільні електронні пари можуть утворюватись за двома механізмами: обмінним і донорно-акцепторним².

² Існує третій механізм (семіполярний), який у загальноосвітній школі не розглядають.

Обмінний механізм передбачає утворення спільних електронних пар з неспарених електронів двох атомів. Відбувається перекриття орбіталей електронів.

Атоми, що усуспільнюють електрони, можуть бути однакових елементів або різних. Залежно від того які атоми утворюють між собою спільні електронні пари, ковалентний зв’язок може бути полярним і неполярним. Відповідно до цього і молекули будуть полярними або неполярними.

Якщо спільна електронна пара розміщена на однаковій відстані від атомних ядер обох атомів, такий зв’язок називають ковалентним неполярним. Він виникає між однаковими атомами (атомами одного елемента) з утворенням простої речовини (Н₂, F₂, О₂, N₂...):

Негативний заряд спільної пари розподіляється між атомами рівномірно.

Утворення найпростішої молекули — молекули водню Н₂. Електронна формула атома Гідрогену:

Для того щоб утворилась молекула водню Н₂, атоми Гідрогену зближуються. Орбіталі кожної пари атомів, які містять по одному неспареному електрону з різними спінами, перекриваються. Кожний атом одержує додатковий електрон і отримує енергетично вигіднішу (порівняно з ізольованими атомами), завершену електронну оболонку, оболонку атома Гелію:

Якщо зв’язок утворюють різні елементи, спільна електронна пара, а тому й негативний заряд, дещо зміщені у бік одного з атомних ядер (більш електронегативного елемента). Унаслідок цього атоми набувають часткового заряду: більш електронегативний — часткового негативного (дельта мінус, δ-), менш електронегативний — часткового позитивного заряду (дельта плюс, δ+). Утворюється електричний диполь:

Такий зв’язок називають ковалентним полярним.

Що більша різниця електронегативностей в атомів елементів, які зв’язуються, то сильніше відбувається зміщення електронної густини до більш електронегативного елемента. Так, у ряду HI, HBr, НСl, HF полярність молекул зростає, оскільки зростає різниця електронегативностей атома галогену і Гідрогену.

Утворення молекули гідроген флуориду HF. Електронні формули — ₁Н 1s¹ і ₉F 1s²2s²2p⁵.

Атомам і Гідрогену, і Флуору до завершення зовнішнього енергетичного рівня не вистачає по одному електрону. Унаслідок зближення атомів відбувається перекриття 1s-орбіталі атома Гідрогену і 3р-орбіталі атома Флуору. З неспарених електронів у цих атомів формується спільна ковалентна пара:

Донорно-акцепторний (координаційний) механізм утворення спільної електронної пари. Тут ковалентний зв’язок утворюється за рахунок неподіленої електронної пари одного атома і вільної орбіталі другого атома. Донор — це атом (іон), який надає свою неподілену електронну пару для утворення хімічного зв’язку. Акцептор — це атом (іон), який приймає на свою вільну (вакантну) орбіталь неподілену електронну пару другого атома (іона).

Донорно-акцепторний механізм утворення йона амонію:

Три зв’язки у молекулі амоніаку між атомом Нітрогену й атомами Гідрогену утворюються за обмінним механізмом, а один — за донорно-акцепторним.

Варто зауважити, що валентність Нітрогену в йоні амонію — IV, тому що він утворює чотири ковалентні зв’язки. Отже, якщо елемент утворює ковалентні зв’язки і за обмінним, і за донорно-акцепторним механізмом, то його валентність буде більшою за кількість неспарених електронів.