Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Савчин

§ 5. ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ'ЯЗКІВ: КОВАЛЕНТНИЙ ЗВ'ЯЗОК

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • називати речовини з ковалентним зв'язком;
  • установлювати ковалентний зв'язок у речовинах за їхніми формулами;
  • наводити приклади речовин з ковалентним зв'язком;
  • пояснювати механізм утворення ковалентного зв'язку в молекулах простих і складних речовин, відмінності в утворенні ковалентних зв'язків у молекулі амоніаку та йоні амонію;
  • прогнозувати фізичні властивості речовин з ковалентним (полярним і неполярним) зв'язком.

Пригадайте, який зв'язок називають ковалентним.

Ковалентний зв'язок. З цим видом хімічного зв'язку ви ознайомилися в курсі хімії 8 класу. Він властивий неорганічним та органічним речовинам. Вони утворюються внаслідок виникнення між атомами елементів однієї або декількох спільних електронних пар. Цей вид зв'язку властивий сполукам, молекули яких містять атоми неметалічних елементів.

Ковалентний зв'язок — це зв'язок на основі спільних електронних пар.

Розглянемо докладніше механізм утворення ковалентного зв'язку. Атоми, узаємодіючи між собою, можуть утворювати спільні електронні пари за допомогою неспарених електронів, перебуваючи в незбудженому стані. Найчастіше це атоми, які мають однакову або близьку за значенням електронегативність. Ковалентний зв'язок може бути одинарним (якщо між атомами виникла одна спільна електронна пара), подвійним (якщо дві) і потрійним (коли виникають три спільні електронні пари).

Пригадайте, як утворюється молекула водню.

Ковалентний неполярний зв'язок. Механізм виникнення зв'язку між атомами Гідрогену з утворенням молекули водню H2 полягає в тому, що ядра атомів Гідрогену притягують електронні хмари s-електронів. Унаслідок зближення атомів їхні електронні хмари перекриваються, що супроводжується виділенням енергії та утворенням зони підвищеної електронної густини. Тоді електрони обох атомів Гідрогену перебувають у спільному користуванні двох ядер. Це енергетично вигідніше, ніж коли електрон перебуває в користуванні свого ядра. Отже, виникає електронна пара з двох s-електронів атомів Гідрогену (рис. 11), яка рівновіддалена від обох ядер атомів.

Рис. 11. Схема утворення спільної електронної пари перекриванням s-електронів двох атомів Гідрогену

Зв'язок у молекулах елементів з ковалентним зв'язком відображають електронними або графічними (структурними) електронними формулами. Електронна формула молекули водню Н:Н. У структурній формулі крапки замінюють рискою Н-Н.

У молекулі кисню між атомами Оксигену наявний подвійний зв'язок О=О, у молекулі азоту — потрійний N≡N.

У кожному з цих випадків атоми набувають стійкої конфігурації з двох або восьми електронів.

Поясніть механізм утворення ковалентного неполярного зв'язку, скориставшись рис. 12.

Рис. 12. Схема утворення двох спільних електронних пар у молекулі кисню

Хімічний зв'язок, що утворюється між атомами елементів з однаковою електронегативністю, називають ковалентним неполярним зв'язком.

Ковалентний полярний зв'язок. Здебільшого хімічний зв'язок виникає в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів, що відрізняються електронегативністю. Прикладом може бути утворення молекул гідроген хлориду (рис. 13), води, амоніаку.

Рис. 13. Схема утворення ковалентного полярного зв'язку в молекулі гідроген хлориду

Розглянемо докладніше механізм утворення ковалентного полярного зв'язку в молекулі гідроген хлориду. Як бачимо з рис. 13, на зовнішньому енергетичному рівні в атома Гідрогену є 1s неспарений електрон, а в атома Хлору — два s- та п'ять р-електронів, зокрема один з них неспарений. До утворення стійкої конфігурації не вистачає одного електрона. Унаслідок взаємодії s-електрона атома Гідрогену та неспареного р-електрона атома Хлору утворюється спільна електронна пара. Ядро атома Хлору має заряд значно більший (+17), ніж ядро атома Гідрогену (+1), тому сили притягання з боку Хлору значно більші. Відбувається зміщення електронної пари до більш електронегативного елемента Хлору. Оскільки віддалі між ядрами атомів та утвореною спільною електронною парою неоднакові, це спричиняє поляризацію молекули. На тому кінці молекули, де розміщується елемент з більшою електронегативністю (Хлор), зосереджується негативний заряд, а там, де з меншою, — позитивний. Такі молекули називають полярними молекулами, або Диполями.

Диполь — це система з двох зарядів, що є однаковими за значенням, але протилежними за знаком.

Пригадайте й поясніть утворення ковалентного зв'язку в молекулі води.

З'ясуємо, як утворюється ковалентний зв'язок у молекулі амоніаку. Вам уже відомо з § 2 (с. 13), що в атома Нітрогену на зовнішньому енергетичному рівні з п'яти наявних електронів три — неспарені. Електронна конфігурація 7N 1s22s22p3.

Атоми Нітрогену утворюють три спільні електронні пари з трьома атомами Гідрогену. Виникає стійка конфігурація зовнішнього енергетичного рівня: у Нітрогену — з восьми електронів, як у Неону, і в Гідрогену — з двох електронів, як у Гелію. Електронні пари зміщені до більш електронегативного атома Нітрогену. Молекула полярна, набуває форми піраміди. На зовнішньому енергетичному рівні залишаються два спарені s-електрони, які не беруть участі в утворенні зв'язку. Схему будови молекули амоніаку показано на рис. 14.

Рис. 14. Схема будови молекули амоніаку

Вивчаючи органічні речовини, ви ознайомилися з електронною будовою атома Карбону. Вам відомо, що він, перебуваючи в основному стані, на зовнішньому (другому) енергетичному рівні має два спарені s-електрони й два неспарені р-електрони, що демонструє графічна електронна формула (рис. 15, а). У такому стані атом Карбону утворює два ковалентні зв'язки. Однак у сполуках атом Карбону найчастіше є чотиривалентним та утворює чотири ковалентні зв'язки. Це відбувається завдяки тому, що під час хімічних реакцій атом Карбону переходить з основного стану в збуджений. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня набуває іншого вигляду (рис. 15, б), де всі електрони неспарені, тобто електрон із s-підрівня переходить на вільну р-орбіталь. Унаслідок переходу на зовнішньому енергетичному рівні з'являються чотири неспарені електрони, що утворюють чотири ковалентні зв'язки з іншими атомами. При цьому звільняється стільки енергії, що вона перекриває енергію, затрачену на перехід атома Карбону з основного стану в збуджений.

Рис. 15. Графічні електронні формули атома Карбону в основному (а) і збудженому (б) станах

З § 2 (с. 13) вам відомо, що в атомів неметалічних елементів 3 періоду й наступних зовнішній енергетичний рівень містить d-підрівень. Під час збудження атома на цей підрівень переходять s- і р-електрони. Як наслідок, створюються додаткові можливості утворення ковалентних зв'язків.

Хімічний зв'язок, що утворюється між атомами елементів, електронегативність яких незначно відрізняється, називають ковалентним полярним зв'язком.

Молекулярні кристалічні ґратки. Такий тип ґраток характерний для речовин молекулярної будови. У речовин з ковалентним неполярним зв'язком у вузлах кристалічних ґраток розміщуються неполярні молекули. Між ними діють міжмолекулярні сили взаємодії, що впливає на фізичні властивості цих сполук. Вони леткі, легкоплавкі, мають низькі температури кипіння, невисоку твердість. За нормальних умов вони можуть бути газами (Н2, Cl2, N2, O2), рідинами (Br2) або твердими речовинами (І2, Р4, S8).

У вузлах кристалічних ґраток речовин з ковалентним полярним зв'язком розміщуються полярні молекули, які в певному порядку орієнтовані в просторі, оскільки, крім електростатичних сил взаємодії, діють і міжмолекулярні. Фізичні властивості таких речовин подібні до властивостей речовин з неполярними кристалічними ґратками. Це неорганічні речовини: вода, амоніак, гідроген хлорид, гідроген сульфід, а також більшість органічних.

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку. Розглядаючи утворення ковалентних зв'язків у молекулі амоніаку, ви, мабуть, звернули увагу на те, що атом Нітрогену на зовнішньому енергетичному рівні має два спарені s-електрони, які утворюють неподілену електронну пару. Вона може брати участь в утворенні ковалентних зв'язків з іншим атомом за умови, що на його зовнішньому енергетичному рівні є вільна орбіталь. Наприклад, у йона Гідрогену не заповнена 1s-орбіталь. Тому під час взаємодії молекули амоніаку з йоном Гідрогену неподілена електронна пара від Нітрогену переходить на його вільну s-орбіталь і стає спільною для обох атомів. Як наслідок, утворюється йон амонію (рис. 16). Хоча в йоні амонію ковалентні зв'язки утворюються різними способами, вони є рівноцінними.

Рис. 16. Схема утворення йона амонію

Атом Нітрогену, який віддав неподілену електронну пару для утворення ковалентного зв'язку, є донором. Йон Гідрогену, який, маючи вільну орбіталь, приєднав неподілену електронну пару, називають акцептором. Тому механізм утворення ковалентного зв'язку й дістав назву донорно-акцепторний.

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку — це механізм утворення зв'язку між атомами за рахунок неподіленої електронної пари одного атома та вільної орбіталі ішого.

На основі донорно-акцепторного механізму утворення зв'язку відбувається утворення сполук у реакції взаємодії амоніаку з гідроген хлоридом. Щоб переконатися в цьому, проведемо демонстраційний дослід.

Дослід. Наллємо в першу склянку водний розчин амоніаку, а в другу — хлоридну кислоту. Якщо піднесемо їх отворами одну до одної, то зі зближенням склянок з них інтенсивно виділятиметься «білий дим». У хімії ця реакція дістала назву «дим без вогню». Так званий «дим» — це дрібні кристали амоній хлориду (рис. 17).

Рис. 17. Утворення амоній хлориду з амоніаку й гідроген хлориду

Рівняння реакції:

NH3 + H+Cl- = [NH4]+Cl-.

За донорно-акцепторним механізмом відбувається також утворення продуктів під час реакції взаємодії амоніаку з водою.

Складіть самостійно рівняння реакції взаємодії амоніаку з водою. Назвіть речовину, що утворилася.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

Ковалентний зв'язок — зв'язок на основі спільних електронних пар.

Ковалентний зв'язок утворюється в сполуках, які містять атоми неметалічних елементів.

Ковалентний неполярний зв'язок — хімічний зв'язок, що виникає між атомами елементів з однаковою електронегативністю. Утворюється за допомогою неспарених електронів між атомами, які мають однакову або близьку за значенням електронегативність.

Ковалентний полярний зв'язок — хімічний зв'язок, що утворюється між атомами елементів, електронегативність яких незначно відрізняється. Виникає в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів.

• Під час утворення ковалентного полярного зв'язку відбувається зміщення електронної пари до більш електронегативного елемента.

Диполь — система з двох зарядів, однакових за значенням, але протилежних за знаком.

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку — це механізм утворення зв'язку між атомами за рахунок неподіленої електронної пари одного атома та вільної орбіталі іншого. Утворюється за умови, коли на зовнішньому енергетичному рівні одного атома є неподілена електронна пара, а в іншого атома — вільна орбіталь.

• У вузлах кристалічних ґраток речовин з неполярним зв'язком розміщені неполярні молекули, сили взаємодії між якими малі. У вузлах кристалічних ґраток речовин з полярним ковалентним зв'язком розміщуються полярні молекули, які в певному порядку орієнтовані в просторі, оскільки між ними, крім електростатичних сил взаємодії, виникають і міжмолекулярні.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Поясніть, який зв'язок називають ковалентним.
  • 2. Назвіть відомі вам способи утворення ковалентного зв'язку.
  • 3. Охарактеризуйте на конкретних прикладах механізми утворення ковалентних зв'язків: а) неполярного; б) полярного.
  • 4. Поясніть, які електрони зовнішнього енергетичного рівня беруть участь в утворенні хімічних зв'язків у молекулах сполук, поданих формулами: а) О2; б) H2S; в) СН4.
  • 5. Укажіть сполуку з неполярним ковалентним зв'язком.

А NaCl

Б CS2

В NH3

Г Br2

  • 6. Укажіть сполуку з полярним ковалентним зв'язком.

А NaBr

Б H2O

В KCl

Г Cl2

  • 7. Визначте, яку максимальну кількість зв'язків можуть утворювати атоми Нітрогену та Фосфору. Напишіть формули сполук.
  • 8. Складіть рівняння реакцій взаємодії гідроген хлориду та води з амоніаком. Поясніть механізм утворення ковалентних зв'язків під час взаємодії цих сполук.
  • 9. Обґрунтуйте залежність властивостей речовин від типу хімічного зв'язку та кристалічної будови.
  • 10. Спрогнозуйте вид хімічного зв'язку в сполуках за їхніми формулами: NH3, CaCl2, H2S, N2 та які фізичні властивості вони проявляють.