Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

Тема 2. Хімічний зв’язок та будова речовини

Хімічний зв’язок - центральна, найголовніша проблема хімії. Тому деякі хіміки справедливо вважають, що розкрити природу, характер хімічного зв’язку, закономірності утворення й руйнування його - означає розкрити механізм та сутність процесу перетворення речовин, тобто саму суть хімічного руху.

М. А. Будрейко

§ 4. Ковалентний зв’язок. Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • наводити приклади сполук з ковалентним (полярним і неполярним) хімічним зв’язком;
  • пояснювати утворення ковалентного (полярного й неполярного) зв’язків;
  • обґрунтовувати природу ковалентного зв’язку;
  • характеризувати особливості ковалентного зв’язку;
  • використовувати поняття електронегативності для характеристики ковалентних зв’язків;
  • пояснювати відмінності в механізмах утворення ковалентних зв’язків у молекулі амоніаку та йоні амонію.

Хімічним зв’язком, як ви вже знаєте, називають сили, що втримують частинки (атоми, йони) у молекулах або кристалах. Для утворення хімічного зв’язку між двома атомами потрібно, щоб енергія системи з двох атомів була значно меншою за енергію окремо взятих атомів.

Зв’язок між атомами за рахунок спільних електронних пар називають ковалентним.

Якщо двохатомна молекула утворена атомами одного неметалічного елемента, то негативний заряд спільної електронної пари розподілений між ними порівну. Такий зв’язок називають ковалентним неполярним (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Зображення ковалентного зв’язку в молекулі водню

1. Поясніть значення слова валентність. 2. Пригадайте слова, які, так само як і слово ковалентний, мають префікс ко-. Висловте припущення щодо значення слова ковалентний. 3. Складіть електронні та графічні формули двохатомних молекул: фтору, хлору, кисню, азоту. Пам’ятайте, що в графічній формулі кожній спільній електронній парі відповідає одна риска, яка символізує хімічний зв’язок (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Будова зовнішнього енергетичного рівня атомів елементів 2 і 3 періодів

Електронегативністі хімічного елемента (χ, вимовляємо хі), як ви вже знаєте, - це властивість його атома притягувати спільні з іншим атомом електронні пари. Сучасне поняття про електронегативність запровадив американський науковець Лайнус Полінг (рис. 4.3), який виразив її в умовних одиницях.

Рис. 4.3. Полінг Лайнус Карл (1901-1994).

Американський фізик і хімік. Його праці присвячено переважно вивченню будови молекул і природи хімічного зв’язку. Кількісно визначив (1932) поняття електронегативності, запропонував її шкалу. Заклав основи структурного аналізу білка. Лауреат Нобелівської премії (1954)

Проаналізуйте рисунок 4.8 і поясніть: а) як змінюється електронегативність хімічних елементів у періодах і групах періодичної системи; б) які елементи мають найбільші й найменші значення електронегативності.

Рис. 4.4. Зміна електронегативності хімічних елементів у періодичній системі

Електронегативність залежить не лише від відстані між ядром і валентними електронами, але й від того, наскільки валентна оболонка атома близька до завершеної. В одному періоді хімічний елемент, атом якого має сім електронів на зовнішній оболонці, виявлятиме вищу електронегативність, ніж елемент, в атомі якого на зовнішній оболонці один електрон. Ковалентний зв’язок, у якому одна чи кілька спільних електронних пар зміщені в бік більш електронегативного атома, називають полярним зв’язком (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Ковалентний зв’язок: неполярний (1) і полярний (2)

Складіть, використавши рис. 4.2, електронні та графічні формули летких сполук з Гідрогеном Карбону, Нітрогену, Оксигену, Флуору. Скористайтеся даними щодо відносної електронегативності цих елементів і позначте стрілкою напрямок зміщення спільних електронних пар, наприклад Н → Сl.

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку. Донор (від лат. dono - «дарую») - який віддає що-небудь іншому об’єкту - акцептору (від лат. ассіріо - приймаю, отримую).

Унаслідок хімічної взаємодії молекул амоніаку NH3 та метиламіну CH3NH2 з молекулами води утворюються катіони амонію NH4 та метамонію CH3NH+3 відповідно й гідроксид-аніони (рис. 4.6). Пригадайте, про взаємодію амінів з водою йшлося в 10 класі. У цих реакціях атом Нітрогену є донором неподіленої електронної пари, а катіон Гідрогену - акцептором, бо приймає її на вільну 1s орбіталь. Ковалентний зв’язок, що утворився між атомом Нітрогену та протоном, - результат усуспільнення ними неподіленої електронної пари атома Нітрогену. Він нічим не відрізняється від інших зв’язків N-H (рис. 4.6) Донорами можуть бути атоми Нітрогену, Оксигену, Фосфору, Сульфуру тощо. Роль акцепторів можуть виконувати протон та атоми з незаповненим октетом, наприклад атоми елементів ІІІА групи періодичної системи хімічних елементів.

Рис. 4.6. Схема утворення ковалентного зв’язку за донорно-акцепторним механізмом

У загальному вигляді утворення ковалентного зв’язку за донорно-акцепторним механізмом схематично зображено на рисунку 4.6. Проаналізуйте графічні варіанти електронних формул бор(ІІІ) флуориду та нітроген(ІІІ) флуориду. У якому стані - основному чи збудженому - перебуває атом Бору в бор(ІІІ) флуориді? Прокоментуйте рівняння реакції бор(ІІІ) флуориду з нітроген(ІІІ) флуоридом, зазначте донор та акцептор:

https://www.youtube.com/watch?v=woypiR5kNok&list=UUaFokBdfPtlT5DQaD5a02Hw&index=22

https://www.youtube.com/watch?v=ZxWmyZmwXtA

ПРО ГОЛОВНЕ

• Хімічним зв’язком називають сили, які утримують частинки (атоми, йони) в молекулах або кристалах.

• Під час утворення молекул у хімічних реакціях атоми хімічних елементів набувають стійкої зовнішньої оболонки з вісьмох електронів.

• Зв’язок між атомами за рахунок спільних електронних пар називають ковалентним. Його зображують за допомогою електронних і графічних формул молекул.

• Якщо двохатомна молекула утворена атомами одного неметалічного елемента, то негативний заряд спільної електронної пари розподілений між ними порівну. Такий зв’язок називають ковалентним неполярним.

• Електронегативність хімічного елемента - це властивість його атома притягувати спільні з іншим атомом електронні пари.

• Зі збільшенням протонного числа електронегативність хімічних елементів зростає в періодах і зменшується в підгрупах.

• Ковалентний зв’язок, у якому одна чи кілька спільних електронних пар зміщені в бік більш електронегативного атома, називають полярним зв’язком.

• Ковалентний зв’язок може утворюватися внаслідок усуспільнення електронів або за донорно-акцепторним механізмом.

Перевірте себе

1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

2. Виберіть правильне твердження. Ковалентним неполярним зв’язком сполучені атоми в молекулі речовини, формула якої

A N2

Б HF

В CO

Г ClF

3. Укажіть формулу речовини з ковалентним полярним типом зв’язку.

А Н2О

Б I2

В КСl

Г О2

4. Під час утворення молекул у хімічних реакціях атоми хімічних елементів намагаються набути стійкої зовнішньої оболонки з

А трьох електронів

Б чотирьох електронів

В шістьох електронів

Г вісьмох електронів

5. Вставте пропущене слово. Для утворення хімічного зв’язку між двома атомами потрібно, щоб енергія системи з двох атомів була... за енергію окремо взятих атомів.

А нижчою

Б вищою

6. Виберіть запис, у якому символи елементів розміщені за зменшенням їхньої електронегативності.

А I, Be, С, О

Б В, N, С, Р

В Η, N, К, С

Г F, Сl, Вr, I

7. Правильним є запис (χ-електронегативність)

А χ(Н) < χ(СІ)

Б χ(S) > χ(О)

В χ(О) < χ(Вr)

Г χ(Н) > χ(N)

8. Порівняйте ковалентні зв’язки: а) у молекулах водню й гідроген хлориду; б) у молекулі амоніаку та катіоні амонію. Чим вони подібні і чим відрізняються? Відповідь оформте як таблиці або діаграми Венна.

Творча майстерня

  • 9. Складіть короткі оповідання (вірші, пісні) за мотивами рисунка 4.7.
  • 10. Використайте блоки LEGO, щоб зрозуміло й наочно пояснити молодшому учнівству, що таке ковалентний хімічний зв’язок.

Рис. 4.7. Спільними зусиллями? Гуртом! Який з двох зв’язків полярний?