Ковалентная связь

Химия — это увлекательное изучение материи и изменений, которые она претерпевает. Основополагающая концепция в химии — это химическая связь, представляющая силу, удерживающую атомы вместе в пределах молекулы. Среди различных типов химических связей ковалентная связь особенно важна. Ковалентное связывание включает в себя совместное использование пар электронов между атомами, позволяя им достигать стабильности. Этот тип связи играет ключевую роль в образовании разнообразных соединений, необходимых для жизни, а также многих веществ с различными свойствами. В этом подробном уроке мы углубимся в концепцию ковалентного связывания, исследуя его природу, свойства и примеры, чтобы получить полное понимание.

Понимание ковалентных связей

Ковалентные связи образуются, когда два атома делятся одной или несколькими парами электронов. Это деление позволяет каждому атому достигать электронной конфигурации благородного газа, достигая более стабильного состояния. Ковалентные связи обычно возникают между неметаллическими атомами, которые имеют схожие электроотрицательности. Электроотрицательность — это тенденция атома привлекать общую пару электронов к себе. В ковалентном связывании деление электронов может быть равным или неравным в зависимости от относительных электроотрицательностей задействованных атомов.

Атом обычно стремится заполнить свою внешнюю оболочку электронов, чтобы стать стабильным, как благородные газы, имеющие полные внешние оболочки. Формируя ковалентные связи, атомы эффективно объединяют свои внешние энергетические уровни для формирования общей стабильной конфигурации, которая обычно имеет восемь электронов на внешней оболочке, известных как правило октета.

Образование ковалентных связей

Рассмотрим образование простой ковалентной связи между двумя атомами водорода.

H • + • H → H:H или H—H
  

Здесь каждый атом водорода имеет один электрон. Делясь своими электронами, они образуют одну ковалентную связь. Это может быть представлено, используя пару точек (H:H) или одну линию (H—H), указывающую на общую пару электронов.

Такая связь, включающая одну пару общих электронов, называется одинарной ковалентной связью. Одинарные ковалентные связи являются наиболее распространёнными и простыми типами ковалентных связей.

Типы ковалентных связей

Ковалентные связи могут классифицироваться на одинарные, двойные и тройные связи в зависимости от количества совместно используемых пар электронов.

Одинарная ковалентная связь

Это самый простой тип ковалентной связи, включающий деление одной пары электронов. Молекула водорода, как показано выше, является классическим примером одинарной ковалентной связи. Метан (_{CH 4}) — еще один пример, где углерод образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода.

    H
    ,
H—C—H
    ,
    H
  

Двойная ковалентная связь

Двойные ковалентные связи включают деление двух пар электронов. Примером этого является газообразный кислород (_{O 2}), где каждый атом кислорода делится двумя электронами с другим для образования двойной связи.

     ,
    :O=O:
     ,
  

Другой пример — этен (C 2 H 4), где существует двойная связь между двумя атомами углерода:

HH
 ,
  C=C
 ,
HH
  

Тройная ковалентная связь

Тройные ковалентные связи образуются, когда три пары электронов разделяются между двумя атомами. Азотный газ (_{N 2}) является основным примером этого, с сильной тройной связью, образованной между двумя атомами азота.

     ,
    :N≡N:
     ,
  

Другой пример — ацетилен (C 2 H 2), который имеет тройную связь между двумя атомами углерода:

H—C≡C—H
  

Характеристики ковалентных связей

Длина и энергия связи

Длина связи относится к расстоянию между ядрами двух ковалентно связанных атомов. Энергия связи, с другой стороны, — это мера прочности ковалентной связи или энергия, необходимая для её разрушения. По мере увеличения количества совместно используемых пар электронов связь становится короче и сильнее. Следовательно, одинарные связи обычно длиннее и имеют более низкую энергию связи, чем двойные и тройные связи.

Например:

Связь | Длина (pm) | Энергия (кДж/моль)
,
C—C | 154 | 348
C=C | 134 | 614
C≡C | 120 | 839
  

Полярность ковалентных связей

Полярность в ковалентных связях возникает из-за разницы в электроотрицательностях между связанными атомами. Когда разница в электроотрицательностях между двумя атомами значительна, электроны делятся неравномерно, что приводит к полярной ковалентной связи.

Например, атом кислорода в молекуле воды (H 2 O) более электроотрицателен, чем атомы водорода. Это приводит к частичному отрицательному заряду на атоме кислорода и частичному положительному заряду на каждом атоме водорода, что приводит к полярной ковалентной связи.

   δ+ δ– δ+
H—O ≈≈≈ H
  

С другой стороны, если электроотрицательности атомов равны или почти равны, то связь является неполярной. Примером этого является молекула хлора (Cl 2), где электроотрицательности обоих атомов одинаковы, что приводит к равному делению электронов и неполярной ковалентной связи.

Понимание полярности важно, поскольку оно влияет на физические свойства соединения, такие как растворимость и температуры плавления/кипения.

Визуальные примеры ковалентных связей

Рисунок 1: H—H одинарная ковалентная связь в молекуле водорода

Рисунок 2: O=O двойная ковалентная связь в молекуле кислорода

Рисунок 3: N≡N тройная ковалентная связь в молекуле азота

Примеры соединений с ковалентными связями

Ковалентные связи широко распространены в органических соединениях, где атомы углерода обычно образуют ковалентные связи с другими атомами углерода, а также с водородом, кислородом, азотом и другими элементами. Вот несколько примеров вместе с их структурами:

Метан (_{CH 4})

Как обсуждалось ранее, метан — это простая органическая молекула, в которой один атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя атомами водорода.

    H
    ,
H—C—H
    ,
    H
  

Вода (_{H 2 O})

Вода — классический пример полярной ковалентной молекулы. Она состоит из двух атомов водорода, ковалентно связанных с одним атомом кислорода.

   H
  , 
 O
  ,
   H
  

Углекислый газ (_{CO 2})

Углекислый газ имеет один атом углерода, двойственно связанный с двумя атомами кислорода, образуя линейную структуру.

O=C=O
  

Аммиак (_{NH 3})

С одним атомом азота, ковалентно связанным с тремя атомами водорода, аммиак имеет тригональную пирамидальную форму.

    H
  ,
N—H
  ,
 H
  

Заключение

Ковалентные связи — это важный тип химической связи, который позволяет образовывать бесчисленное количество соединений с разнообразными структурами и свойствами. Понимая основные принципы ковалентных связей, включая то, как они образуются, их типы и свойства, мы получаем представление о поведении веществ на молекулярном уровне. От простой молекулы водорода до более сложных органических структур — ковалентные связи являются основой нашего понимания химии и физического мира. Это всестороннее изучение подчеркивает важность ковалентных связей как в естественной, так и в синтетической химии.

Комментарии