Химические связи являются фундаментальной основой существования веществ в природе. Понимание их природы позволяет не только объяснить свойства известных соединений, но и синтезировать новые материалы с заданными характеристиками. В этой статье мы подробно рассмотрим один из видов химической связи – ковалентную. Узнаем, как она образуется и что определяет ее уникальные свойства.
Природа ковалентной связи
Ковалентная связь – это химическая связь, осуществляемая путем образования общих электронных пар между атомами. Она характерна в основном для соединений неметаллов. Ковалентная связь обладает высокой прочностью и обуславливает целый ряд важных свойств веществ – температуры плавления и кипения, растворимость, твердость и др.
Существует два основных механизма образования ковалентной связи:
- Обменный – каждый атом отдает по одному электрону для образования электронной пары;
- Донорно-акцепторный – один атом отдает оба электрона, а второй предоставляет свободную орбиталь.
С точки зрения квантовой механики, ковалентная связь возникает при перекрывании атомных орбиталей и образовании общей молекулярной орбитали, на которой находится электронная пара. Гибридизация орбиталей позволяет объяснить геометрию молекул.
В 1927 г. Ф. Лондон и В. Гайтлер на примере молекулы водорода H2 впервые дали квантово-механическое описание ковалентной связи.
Согласно модели Льюиса, образование ковалентной связи происходит за счет обобществления неспаренных электронов валентного слоя атомов с целью приобретения более стабильной электронной конфигурации.
Виды ковалентной связи
По количеству образованных электронных пар различают ковалентные связи с разной кратностью. Чем выше кратность связи, тем она прочнее.
- Одинарная связь – одна электронная пара (H2, Cl2);
- Двойная связь – две электронные пары (O2, C2H2);
- Тройная связь – три электронные пары (N2).
По характеру распределения электронной плотности ковалентные связи делят на полярные и неполярные.
Неполярная связь образуется между одинаковыми атомами, и электронная плотность распределяется симметрично (H2).
При образовании полярной связи электронная плотность смещается к более электроотрицательному атому (HCl).
Другие важные характеристики ковалентной связи:
- Насыщаемость – максимальное число связей для данного атома;
- Направленность – σ- и π-связи.
Свойства ковалентной связи
Ковалентная связь обладает высокой прочностью. Энергия одинарной связи составляет 100-400 кДж/моль. Для сравнения, энергия водородной связи - лишь 10-40 кДж/моль. Прочность ковалентной связи определяется ее длиной и кратностью.
Вещества с ковалентной связью, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения. Это связано с большим количеством энергии, необходимой для разрыва связей при переходе вещества в газообразное состояние.
Большинство ковалентных соединений плохо растворяются в воде и других полярных растворителях. Исключение составляют вещества с полярными связями, образующие водородные связи с молекулами растворителя.
Атомы и ковалентная связь
Характер ковалентной связи в значительной степени определяется природой атомов, между которыми она образуется.
У s-элементов образуются только σ-связи, p-элементы способны к образованию σ- и π-связей. Элементы с более глубокими электронными оболочками образуют множественные связи за счет d- и f-орбиталей.
Чем выше разница в электроотрицательности атомов, тем сильнее выражена полярность ковалентной связи между ними. Это приводит к появлению значительного дипольного момента.
Ковалентная связь в неорганических соединениях
Неорганические вещества с ковалентной связью весьма разнообразны по составу и строению. Это простые вещества (S8), бинарные соединения (SiO2, PCl5), комплексные многоатомные молекулы (NF3, SF6).
Особенности ковалентной связи определяют аллотропию простых веществ. Например, алмаз содержит жесткую трехмерную сетку σ-связей, а графит - слоистую структуру с сочетанием σ- и π-связей.
В бинарных соединениях неметаллов полярность связей усиливается в ряду: оксиды → гидриды → галогениды. Это связано с возрастанием разницы электроотрицательностей.
Ковалентная связь в органических соединениях
Подавляющее большинство органических веществ содержит ковалентные связи углерод-углерод и углерод-водород.
В углеводородах присутствуют одинарные, двойные и тройные связи. Ненасыщенные углеводороды имеют π-связи, обуславливающие их повышенную реакционную способность.
Кислород- и азотсодержащие органические соединения также имеют преимущественно ковалентные связи. Полярные связи с кислородом и азотом придают этим веществам гидрофильные свойства.
Строение молекул с ковалентной связью
Ковалентная связь определяет геометрию молекул веществ. Благодаря направленности связей атомы располагаются в пространстве под строго определенными валентными углами.
В молекулах с only σ-связями атомы находятся друг от друга на максимально возможном расстоянии в соответствии с правилом Гиллеспи. Это объясняется отталкиванием облаков валентных электронов.
Наличие π-связей приводит к отклонениям от правильной геометрии. Например, в молекуле формальдегида угол HCO составляет 116°, а не 109,5°.
Методы исследования ковалентной связи
Для изучения параметров ковалентной связи используют различные физико-химические методы:
- Спектроскопия (ИК, ЯМР, ЭПР) дает информацию о структуре молекул;
- Рентгеноструктурный анализ позволяет определить длины связей и валентные углы;
- Квантово-химические расчеты моделируют параметры связей.
Комплексное применение разных методик дает полную картину особенностей ковалентного взаимодействия в конкретном веществе.
Применение соединений с ковалентной связью
Понимание природы ковалентной связи позволяет целенаправленно синтезировать материалы с необходимыми свойствами.
Вещества с прочными ковалентными связями (карбиды, нитриды) используются в производстве износостойких деталей.
Полимеры с ковалентными C-C и C-H связями применяются для изготовления пластмасс, каучуков, волокон.
Понимание механизмов органических реакций позволяет создавать новые лекарства, красители, пестициды.
Перспективы изучения ковалентной связи
Несмотря на многолетнее изучение, ковалентная связь до конца не изучена. Остаются открытыми вопросы о природе связи в экзотических соединениях со сверхвысокими температурами плавления, а также в системах повышенного давления.
Дальнейшее исследование ковалентных взаимодействий поможет синтезировать новые функциональные материалы, в том числе для электроники, оптоэлектроники, медицины.
