Ковалентная связь

Ковалентная связь

Ковалентная связьСуществование таких молекул, как Н2, O2 и Сl2, невозможно объяснить с помощью представления об ионной связи. В 1916 г. американский химик Джильберт Ньютон Льюис предположил, что химическая связь между одинаковыми или близкими по свойствам атомами осуществляется с помощью одной или нескольких пар электронов, принадлежащих в равной степени каждому из атомов. Такое «обобществление» электронных пар позволяет атомам окружить себя устойчивой электронной оболочкой инертного элемента и приводит к выигрышу в энергии. Образование молекул Н2 и Сl2 выражается, с точки зрения теории Льюиса, следующей схемой:

Образование молекул Н2 и Сl2

Новая теория смогла объяснить строение большинства органических и неорганических соединений. Однако она не отвечала на принципиально важный вопрос: почему электронная пара обладает связующим действием? Кроме того, вскоре обнаружилось множество отклонений от правила октета. Рассмотрим, например, электронное окружение атомов углерода, фосфора и серы в молекулах CF4PF5; SF6: смотрим (рис. выше)

Из приведённых схем ясно видно, что на внешнем энергетическом уровне атомов фосфора и серы находится соответственно десять и двенадцать электронов. Это нарушает стройность теории Льюиса и заставляет подойти к проблеме возникновения химической связи с точки зрения законов микромира.

Квантовомеханическое рассмотрение ковалентной связи

Квантовомеханическое рассмотрение ковалентной связиСогласно квантовомеханическим расчетам, проведенным немецкими физиками Вальтером Гайтлером и Фритцем Лондоном, два атома водорода могут соединиться и образовать молекулу только в том случае, если их электроны имеют противоположные спиновые квантовые числа для одного электрона ms= — 1/2, а для другого — +1/2В противном случае атомы водорода отталкиваются. Отсюда легко сделать общий вывод: ковалентная связь появляется в результате взаимодействия электронов с противоположными (антипараллельными) спинами. Она может возникнуть как между атомами одного и того же элемента (Сl2, O2), так и между различными атомами (НСl; ClF). Необходимым условием образования ковалентной связи является наличие у каждого из взаимодействующих атомов одного или нескольких не спаренных электронов. Раз так, должны существовать молекулы Li2; Na2 и К2. ведь атомы щелочных металлов подобно водороду имеют на наружном энергетическом уровне один не спаренный электрон. Такие молекулы действительно присутствуют в парах щелочных металлов.

Рис. 3. Взаимодействие s-электронных облаков двух атомов водорода:

а — спины электронов антипараллельны; б — спины электронов параллельны

Поскольку электроны обладают одновременно волновыми и корпускулярными свойствами и при своем движении в атоме образуют различные по форме электронные облака, возникновение ковалентной связи можно приближенно представить как результат перекрывания соответствующих электронных облаков. Например, при взаимодействии атомов водорода с противоположными спинами электронов происходит перекрывание сферически симметричных s- электронных облаков, приводящее к возрастанию плотности отрицательного заряда в пространстве между ядрами (рис. 3, а)Общая энергия системы (Н + Н) при этом понижается, что приводит к возникновению прочной ковалентной связи. Если спины электронов параллельны, то электронные облака отталкиваются и молекула Н2 не образуется (рис. 3, б).

Электронное облако, осуществляющее химическую связь между одинаковыми атомами, является симметричным; оно принадлежит в равной степени обоим атомам. Электронное облако, связывающее два различных атома, смещено в сторону более электроотрицательного компонента. Например, в молекуле НСl электронное облако связи смещено в сторону атома хлора, в молекуле воды — в сторону атомов кислорода и так далее. Таким образом, оказывается, что ковалентная связь в большинстве случаев полярна, а ионную связь можно рассматривать как крайний (предельный) случай ковалентной связи. Переход от чисто ионной связи к неполярной ковалентной происходит постепенно. Чем дальше отстоят элементы друг от друга на шкале электроотрицательности, тем более ионной является связь между ними.

Статья на тему Ковалентная связь