1.4. Властивості ковалентного зв'язку
Згідно з методом ВЗ основними властивостями ковалентного зв'язку є насичуваність, напрямленість, кратність, полярність та поляризованість.
Насичуваність ковалентного зв'язку
Насичуваність — це здатність атомів утворювати обмежену кількість ковалентних зв'язків. Внаслідок насичуваності зв'язку молекули мають певний хімічний склад та існують у вигляді дискретних частинок з певною структурою (Н2, Н2О, СН4).
Атом кожного елемента утворює з іншими атомами певне обмежене число ковалентних зв’язків, яке зумовлено числом орбіталей, що беруть участь в виникненні цих зв’язків.
Атоми II періоду мають на зовнішньому рівні чотири орбіталі (одну s і три p ) , вони утворюють звязки число яких не перевищує 4 . (N нітроген - 4)
Атоми інших періодів з більшим числом орбіталей можуть формувати більше число зв’язків (P фосфор 5 за рахунок d - орбіталей.)
Теоретичне обгрунтування насичуваності зв'язку вперше було розглянуто Гeйтлером і Лондоном. На основі квантово-механічних розрахунків вони довели неможливість взаємодії молекули водню з атомом Гідрогену. Обгрунтуванням насичуваності ковалентного зв'язку є основні положення методу ВЗ, обмінний і донорно-акцепторний механізми його утворення.
Слід зазначити, що насичуваність характерна лише для ковалентного зв'язку.
Напрямленість ковалентного зв'язку
Напрямленість ковалентного зв'язку зумовлює просторову структуру молекул - геометрію молекул. Кількісною характеристикою напрямленості ковалентного зв'язку є валентні кути.
Утворення ковалентного зв'язку є наслідком перекривання електронних хмар взаємодіючих атомів. Оскільки електронні хмари мають різну форму, а р-, d- та f-орбіталі певним чином орієнтовані у просторі, то їх площа перекривання розміщується у певному напрямку по відношенню до взаємодіючих атомів. Залежно від способу перекривання та симетрії електронної хмари, яка утворюється, розрізняють σ-, π-, δ-зв'язки (рис. 12).
σ-Зв'язки утворюються при перекриванні атомних орбіталей вздовж лінії, яка з'єднує атоми.
1/ Внаслідок перекривання s-орбіталей двох електронів утворюється σs-s -ковалентний зв'язок,
2/при взаємодії s- та p-електронних хмар — σs-p -ковалентний зв'язок,
взаємодія p- орбіталей утворює σp-p;
3/ При перекриванні d-електронних хмар утворюється σd-d-ковалентний зв'язок.
σs-s- зв'язки не мають напрямленості. Молекули з такими зв'язками мають лінійну форму з валентним кутом 180° (Н2, Li2, Na2).
π-Зв'язки виникають при перекриванні електронних хмар, орієнтованих перпендикулярно до осі зв'язку, при цьому утворюється дві області перекривання, які розташовані з обох боків від лінії, що зв'язує центри атомів. Такий зв'язок виникає при взаємодії p- та d-електронних хмар, орієнтованих перпендикулярно до осі зв'язку (рис. 12).
δ-Зв'язки утворюються перекриванням чотирьох лопастей d-електронних хмар, розміщених у паралельних площинах (рис. 12).
Кратність зв'язку
Згідно з методом ВЗ, кількість зв 'язків між атомами називають кратністю зв 'язку.
Атоми у молекулах можуть бути водночас сполучені σ- і π-зв'язками. Прикладом є утворення зв'язків у молекулі азоту. Електронна конфігурація атома азоту 1s22s22p3 показує, що кожний з двох атомів має три неспарених 2р-електрони, орбіталі яких напрямлені вздовж трьох осей — рx рy, рz .
Припустимо, що два атоми азоту наближаються один до одного у напрямку осі х. Тоді, при достатньому зближенні, дві 2рx-орбіталі перекриваються, утворюючи електронну хмару, яка розміщується вздовж осі, що з'єднує ядра атомів (рис. 19). Утворений зв'язок є σ-з'язком. Інші орбіталі атомів азоту 1рy та 2рz утворюють дві області перекривання, які розміщені з обох боків від лінії, що з'єднує ядра атомів. Зв'язки, які ними утворені, є π-зв'язками.
Таким чином, два атоми азоту в молекулі N2 сполучені трьома ковалентними зв'язками: одним σ- та двома π-зв'язками. Ці зв'язки не рівноцінні — σ-зв'язок відрізняється більшою міцністю, ніж π-зв'язок. Однак, π-зв'язки вносять значний внесок у зміцнення молекули N ≡ N, про що свідчить величина енергії зв'язку, яка дорівнює 946 кДж/моль.