3.1. Ковалентная связь
Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами. Различают два способа образования ковалентной связи: либо путем обобществления двух электронов по одному от каждого атома (процесс образования ковалентной связи по такому меха-низму мы будем называть коллигацией), либо за счет донорно-акцепторного воздействия; такой процесс образования ковалентной связи мы будем называть координацией).
Так, молекула водорода может образоваться не только из двух атомов водорода с неспаренными электронами, но и из протона и гидрид-иона:
Чаще всего ковалентная связь осуществляется общей парой электронов, которая образуется в результате взаимодействия неспаренных электронов с противоположной ориентацией спинов.
Поскольку неспаренные электроны могут находиться как на атомах, так и на молекулярных орбиталях (в радикалах), ковалентные связи отличаются значительным разнообразием. Например, в молекулах Н2, С12 и НС1 имеется по одной ковалентной связи, образованной взаимодействием неспаренных электронов, находящихся на атомных орбиталях 1S-1S, 3P-3P, 1S-3P, соответственно.
Ковалентные силы действуют между атомами на расстоянии 1-2 А и имеют энергию порядка 50-200 ккал/моль.
Рис.2. Схема образования ковалентной химической связи в результате взаимодействия неспаренных электронов (а) и донорно-акцепторного взаимодействия (б).
3.1.1. Свойства ковалентной связи
1. Характерной особенностью ковалентной связи является ее пространственная направленность. Если атом ковалентно связан с двумя или более атомами, то между направлением ковалентных связей образуется определенный, характерный для рассматриваемых связей угол (валентный угол). Определение валентных углов производят рентгенографическими, электронографическими и спектроскопическими методами. Например, у насыщенного атома углерода, связанного с четырьмя атомами или группами, связи направлены к вершинам правильного тетраэдра, и обычно все валентные углы равны 109° 28'. Углы, образуемые ковалентными связями атомов, находящихся в различных периодах таблицы Д. И. Менделеева, с одними и теми же партнерами также несколько отличаются друг от друга, например:
3.1.2. Полярность ковалентных связей
Существует различие в свойствах ковалентной связи в зависимости от того, связывает она два одинаковых или разных атома. В первом случае электронное облако симметрично относительно ядер обоих атомов. Электрический дипольный момент такой связи равен нулю, и она называется гомеополярной или просто неполярной. Во втором случае электронное облако несимметрично и смещено к одному из ядер атомов. Такая связь имеет постоянный дипольный момент и называется полярной. В предельном случае полярности мы имеем дело с иной связью (см. далее). Полярными называют такие ковалентные связи, в которых центр тяжести положительных зарядов не совпадает с центром тяжести отрицательных. Количественной мерой полярности ковалентных связей является дипольный момент. Дипольный момент соединения (μ), характеризующий полярность молекулы, равен произведению элементарного заряда на расстояние 1 между центром тяжести всех положительных зарядов молекулы и центром тяжести отрицательных зарядов:
где: 1 - расстояние в Ао (А°= 10-8 см)
S - заряд электрона равен 4,8•10-10 эл.ст.ед.
μ - имеет размерность эл.ст.ед.•см
Величину 1•10-18 эл.ст.ед.•см называют единицей Дебая и обозначают буквой D. Дипольный момент является величиной векторной.
Причиной полярности ковалентной связи является различие в электроотрицательности атомов, ее составляющих. Это вызывает смещение электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома, у которого в результате такого смещения возникает частичный (или дробный) отрицательный заряд, обозначаемый δ- : соответственно, у другого атома находится дробный положительный заряд, обозначаемый δ +:
Для того, чтобы определить, какой из атомов будет положительным и какой отрицательным концом диполя, удобно пользоваться шкалой электроотрицательности.
В сущности, эта шкала представляет собой часть периодической системы, в которой элементы одной группы (на рис. 4 они соединены пунктирной линией) расположены не друг под другом, а по диагоналям, чтобы выразить их различия в электроотрицательности.