§ 17. Полярний і неполярний ковалентний зв’язок
Якщо ковалентний зв’язок утворюється між однаковими атомами, то вони притягують електрони з однаковою силою, і спільна електронна хмара розміщена симетрично відносно обох атомів, тобто електронна пара рівною мірою належить обом атомам. Такий ковалентний зв’язок називають неполярним. У всіх простих речовинах, утворених неметалічними елементами (наприклад, N2, H2, O2, S8), хімічні зв’язки неполярні.
Ковалентний зв’язок, який виникає між атомами різних неметалічних елементів, називають полярним. У цьому разі спільна електронна пара зміщена до того атома, який сильніше притягує електрони. Чим сильніше це зміщення, тим більша полярність зв’язку (мал. 10).
Мал. 10. Електронні хмари полярного (HF) і неполярного (F2, H2) зв’язку
Як ви пригадуєте, величину, яка характеризує здатність атома притягувати електрони інших атомів, називають електронегативністю.
Порівняємо полярність зв’язку у ряду гідроген галогенідів HF – HCl – HBr – HI. Флуор — найбільш електронегативний елемент, і він найбільше зміщує спільну електронну пару у свій бік. Тому у сполуці HF полярність зв’язку найбільша. У ряду F – Cl – Br – I електронегативність зменшується. У молекулі HCl полярність зв’язку менша, ніж у HF, але більша, ніж в HBr і HI. У молекулі HI ковалентний зв’язок найменш полярний.
• Якщо хочете знати хімію глибше.
У багатьох молекулах із полярними ковалентними зв’язками центри негативного і позитивного зарядів містяться у різних точках. Таку молекулу називають полярною. Полярні молекули називають диполями. Приклад диполя — молекула води (мал. 11).
Мал. 11. Модель полярної молекули води. Спільні електронні пари ковалентних зв’язків O – H зміщені до атома Оксигену, на якому міститься центр негативного заряду. Центр позитивного заряду міститься між центрами Гідрогену
Атом, до якого зміщена електронна пара, набуває невеликого негативного заряду, який називають частковим, оскільки він завжди менший за одиницю, і позначається грецькою буквою дельта — δ-. На другому атомі, який бере участь в утворенні зв’язку, виникає рівний за абсолютною величиною частковий позитивний заряд δ+. Значення заряду δ можна вважати мірою полярності зв’язку: чим більша полярність, тим більші часткові заряди на атомах (мал. 12).
Мал. 12. Моделі сильнополярної молекули HF і слабополярної молекули HI. Вказані часткові заряди на атомах. В HF спільна електронна пара зміщена сильніше, ніж в HI
Полярність молекули і полярність хімічного зв’язку — різні поняття. Молекула може бути неполярною навіть за наявності полярних зв’язків. Наприклад, у молекулі карбон(ІV) оксиду атом Карбону сполучений з кожним атомом Оксигену двома полярними зв’язками, електронні пари обох зв’язків зміщені від нього до атомів Оксигену:
Проте в цілому молекула СО2 неполярна, оскільки зв’язки розміщені симетрично відносно центра молекули.
Довжиною зв’язку називають відстань між ядрами сполучених атомів. Атоми зближуються на таку відстань, на якій перекривання їхніх електронних хмар є найбільшим, а енергія молекули — мінімальною. Довжина зв’язку співмірна із розмірами атомів і звичайно становить 0,1-0,2 нм (1 нм = 10 -9 м). Найменша довжина зв’язку в молекулі водню Н2 — 0,076 нм (мал. 13), тому що атом Гідрогену має найменший радіус. Молекулу Н2 не можна побачити навіть в електронний мікроскоп.
Мал. 13. Порівняння довжини зв’язку (нм) в деяких молекулах
Направленість ковалентного зв’язку
Ковалентний зв’язок утворюється між двома атомами, тобто характеризується направленістю. Якщо один атом утворює декілька зв’язків, то вони направлені під певними кутами один до одного. Кут між зв’язками (валентний кут) — це кут між лініями, які сполучають центри атомів. Валентні кути в молекулах бувають різні: від 90 ° до 180 ° . Знаючи всі валентні кути і довжину всіх зв’язків, можна визначити геометричну форму молекули (мал. 14).
Мал. 14. Валентні кути в деяких молекулах
• Зв’язок за допомогою пари електронів, яка належить одночасно обом атомам, називається ковалентним. Ковалентний зв’язок між атомами одного і того ж хімічного елемента неполярний, а між атомами різних елементів полярний. Спільна електронна пара полярного зв’язку зміщена в бік більш електронегативного атома.
Початковий рівень
1. Який ковалентний зв’язок називають: а) полярним? б) неполярним?
2. Наведіть приклади сполук із полярним і неполярним ковалентним зв’язком.
Середній рівень
3. Наведіть по одному прикладу молекул з одинарним, подвійним і потрійним зв’язком.
Достатній рівень
4. Запишіть формули речовин у порядку збільшення полярності зв’язку: H2O, CH4, HF, NH3.
Високий рівень
5. Хімічні елементи головної підгрупи VI групи утворюють з Гідрогеном молекули складу Н2Е. Як змінюється при збільшенні порядкового номера елемента: полярність зв’язку Н – Е в цих молекулах?
6.* Які молекули називають диполями?
7.* Випишіть формули молекул-диполів: HCl, Cl2, N2, H2O.
8.* Визначте знак часткового заряду на атомі Хлору в молекулах HCl і ClF. В якій із цих молекул частковий заряд Хлору більший за абсолютною величиною?
9.* Молекула BCl3 має форму рівностороннього трикутника, у вершинах якого містяться атоми Хлору, а в центрі — атом Бору. Визначте валентний кут у цій молекулі.
Тема 2. Хімічний зв’язок і будова речовини
Ви знаєте, що хімія вивчає властивості речовин. Відповідно до властивостей речовин ми їх і застосовуємо: милом миємо руки, а цукор кладемо в чай. І от що важливо: властивості речовин залежать від їхньої будови! Виходить, якщо ми знаємо будову речовини, то можемо припустити, де її можна використовувати. А якщо нам знадобиться речовина із зовсім незвичайними властивостями, чи можна заздалегідь визначити, якою повинна бути будова? Зараз ми про це й поговоримо.
§ 9. Ковалентний полярний і неполярний зв’язок
— Що сталося б, якби не було хімічного зв’язку?
— Атоми були б розрізненими частинками, і не було б ніяких речовин, ні простих, ні складних, і навіть нас.
НАВІЩО ПОТРІБНИЙ ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК?
Відповідно до спостережень учених, атоми намагаються заповнити всі порожні орбіталі на зовнішньому рівні. При цьому атом може використовувати також електрони інших атомів. Досягти цього можна, утворюючи сполуки за допомогою хімічних зв’язків. Виділяють ковалентні, йонні, металічні та інші зв’язки.
Тепер про кожний зв’язок докладніше.
КОВАЛЕНТНИЙ ЗВ’ЯЗОК
• Запам’ятаємо: ковалентний зв’язок утворюється зазвичай між атомами неметалічних елементів.
Процес утворення ковалентного зв’язку може відбуватися по-різному. Розрізняють два основних механізми утворення цього зв’язку: обмінний і донорно-акцепторний.
Обмінний механізм ми розглянемо зараз, а донорно-акцепторний ви будете вивчати у старших класах. Існують два види ковалентного зв’язку: полярний і неполярний.
Для того щоби розібратися зі зв’язками, передусім варто згадати, що таке електронегативність.
Електронегативність (ЕН) — це сила, з якою атом притягує до себе електрони інших атомів.
Рис. 14. Ковалентний зв’язок
Ковалентний неполярний зв’язок
Розглянемо обмінний механізм утворення ковалентного неполярного зв’язку.
• Ковалентний неполярний зв’язок утворюється між атомами неметалічних елементів із приблизно однаковою електронегативністю.
Елементами з приблизно однаковою електронегативністю прийнято вважати такі, у яких різниця значень електронегативності незначна: від 0 (однакові ЕН) до 0,4. Які ж речовини утворені атомами елементів з такою електронегативністю?
Підказка: Прості речовини H2, O2, O3, Cl2, а є ще S8, Р4.та інші. Це зрозуміло, адже до складу цих молекул входять однакові атоми, отже, і електронегативність у них однакова. Тепер візьмемо таблицю електронегативностей (див. табл. 3 на с. 56).
Знайдіть елементи, в яких різниця електронегативностей незначна. Не забувайте, що ми шукаємо тільки неметалічні елементи. От, наприклад:
- С (ЕН дорівнює 2,5) і S (ЕН дорівнює 2,6);
- Н (ЕН дорівнює 2,1) і Р (ЕН дорівнює 2,1) — очевидно, у цих випадках зв’язок ковалентний неполярний.
Механізм утворення ковалентного неполярного зв’язку
Розглянемо, як і чому утворюється ковалентний неполярний зв’язок. Кожен атом, що бере участь в утворенні хімічного зв’язку, прагне завершити свій зовнішній рівень, тобто на зовнішньому рівні в нього має бути 8 електронів (октет). Винятком є Гідроген, у якого завершений перший рівень має 2 електрони.
Розглянемо утворення молекули водню. У кожного атома Гідрогену є неспарений електрон.
У випадку, якщо два атоми об’єднаються в молекулу, атоми матимуть можливість використовувати електрони один одного для завершення рівня.
Для початку атоми мають зіштовхнутися.
При цьому відбувається таке: електронна орбіталь одного атома притягується ядром іншого атома:
Рис. 15. Притягування електронної орбіталі ядром іншого атома
Атоми зближуються. Це зближення відбувається доти, поки не почнуть відштовхуватися ядра атомів і електронні оболонки.
Хімічний зв’язок утворюється, коли сили притягання й відштовхування між ядрами й електронними оболонками дорівнюватимуть одна одній.
Рис. 16. Утворення хімічного зв’язку
Неспарені електрони обох атомів утворюють спільну електронну пару, яка належить обом атомам. При цьому виникає спільна електронна орбіталь із найбільшою електронною густиною в між’ядерному просторі, що врівноважує відштовхування позитивно заряджених ядер.
Таким чином, утворення ковалентного неполярного зв’язку між атомами Гідрогену можна зобразити так:
Рис. 17. Утворення ковалентного неполярного зв’язку між атомами Гідрогену
Схематично показують ковалентний зв’язок двома крапками між атомами: Н : Н. Це електронна формула. Крапки тут позначають електрони, які беруть участь в утворенні зв’язку.
— Я зрозумів: електронні орбіталі обох атомів ніби змішались в одну велику хмару.
Але це зовсім не означає, що там замість крапок постійно перебувають два кругленьких електрончики. Просто між ядрами майже весь час є ділянка, в якій імовірність перебування цих електронів дуже висока.
Замість двох крапок можна намалювати одну риску — один зв’язок: Н – Н. Це структурна формула.
Зверніть увагу: умовою утворення ковалентного зв’язку є протилежна спрямованість спінів електронів!
Ділянка найбільшої електронної густини, утворена за перекривання електронних хмар, у цьому випадку не зміщена до жодного з атомів у молекулі тому, що в них однакова електронегативність.
Відповідно, ядра атомів з однаковою силою притягують до себе спільні електрони.
Це і є особливістю ковалентного неполярного зв’язку.
Механізм утворення зв’язку — обмінний, тому що атоми ніби обмінюються електронами.
Якщо провести між ядрами атомів вісь симетрії, то електронна густина буде розташовуватися саме на ній.
Рис. 18. Розподіл електронної густини в молекулі Н2
Розглянемо утворення молекули азоту. Три неспарені електрони на зовнішньому рівні атома Нітрогену утворюють спільні пари:
Якщо замінити кожну спільну пару електронів однією рискою, одержимо структурну формулу: N≡N
Спробуйте самостійно розглянути утворення молекул фтору, хлору. Намалюйте електронну будову їх зовнішніх рівнів, укажіть спільні електронні пари, визначте, які електрони їх утворюють, а також запишіть електронні й структурні формули.
Зверніть увагу, що поняття валентність, яке ви вивчали в 7 класі, тут дістає підтвердження на електронному рівні. Кожний неспарений електрон утворює один зв’язок. Тому кількість неспарених електронів визначає кількість зв’язків — валентність: Гідроген, Хлор і Флуор, як ми бачимо, одновалентні, а Нітроген — трьохвалентний.
• Число неспарених електронів відповідає числу спільних електронних пар, дорівнює числу ковалентних зв’язків, дорівнює валентності атома в сполуці.
Ковалентний полярний зв’язок
• Ковалентний полярний зв’язок утворюється між неметалічними елементами з різною електронегативністю.
Різниця електронегативностей атомів, які беруть участь в утворенні ковалентного полярного зв’язку, у цьому випадку приблизно дорівнює від 0,4 до 1,7. Пошукаємо в таблиці електронегативності (див. табл. 3 на с. 56) такі неметалічні елементи:
H (2,1) і Cl (2,83), різниця 2,83 – 2,1 = 0,7.
C (2,5) і F (4,1), різниця 4,1 – 2,5 = 1,6.
Н (2,1) і О (3,5), різниця 3,5 – 2,1 = 1,4.
Механізм утворення ковалентного полярного зв’язку подібний до механізму утворення ковалентного неполярного зв’язку, тільки загальна електронна густина буде зміщена до більш електронегативного елемента.
Розглянемо утворення молекули НСl.
Через те що електронегативності атомів різні, під час утворення цієї молекули електронна густина буде зміщена до атома Хлору, тому його атом матиме частково негативний заряд ( δ – ) , а атом Гідрогену — частково позитивний ( δ + ) . У такий спосіб утворюються два полюси «+» і «-», тому такий зв’язок називають ковалентним полярним.
Рис. 19. Ковалентний полярний зв’язок у молекулі HCl
Припустіть, у якої з молекул загальна електронна густина буде більш зміщена до атома галогену: HF, HCl, HBr, HI?
Підказка: порівняйте електронегативність цих елементів. (Відповідь 1 у кінці параграфа.)
Схематично зобразіть утворення ковалентних зв’язків у молекулі H2O. Напишіть електронну й структурну формули.
Підказка: спочатку визначте, скільки неспарених електронів у атома Оксигену. (Відповідь 2 у кінці параграфа.)
Ковалентний зв’язок і валентність
Валентність кожного елемента обмежена числом неспарених електронів, здатних брати участь в утворенні зв’язків (валентних електронів), тому кожний атом утворює тільки чітко визначене число ковалентних зв’язків у молекулі.
ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ
В разі одержання додаткової енергії електрони зовнішнього рівня атома можуть розпарюватися, переходити на порожні орбіталі. Число неспарених електронів збільшується, а отже, збільшується валентність. Перехід електронів на інші орбіталі пояснює змінну валентність.
Розглянемо утворення молекули гідроген сульфіду. Атом Сульфуру двовалентний, атом Гідрогену одновалентний.
Будова зовнішнього рівня атома Сульфуру:
Будова зовнішнього рівня атома Гідрогену:
Утворюється молекула H2S із такою структурою:
Рис. 20. Структура молекули
Насправді провести чітку межу між ковалентними полярними й неполярними зв’язками майже неможливо. Часто говорять про більш-менш виражену полярність зв’язку.
Отже, потрібно запам’ятати:
- Ковалентні зв’язки утворюються між неметалічними елементами.
- Якщо електронегативність цих елементів приблизно однакова, зв’язки ковалентні неполярні, різні електронегативності — ковалентні полярні.
ВІДПОВІДІ ДО ЗАВДАНЬ ПАРАГРАФА
Відповідь 1. Чим більша різниця електронегативностей, тим більш полярним є зв’язок:
В утворенні зв’язків беруть участь р-електрони атома Оксигену.
• Електронна формула H : O : H
• Структурна формула H – O – H
ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ
Трохи розповімо про складання структурних формул. Їх записують для речовин з ковалентними полярними зв’язками, але іноді використовують і для йонних сполук, якщо це допомагає пояснити новий матеріал. Ці формули показують, у якому порядку з’єднані атоми, і дають загальне уявлення про будову молекули. Розглянемо основні принципи складання таких формул:
- треба, щоб число атомів у молекулярній і структурній формулах було однакове;
- обов’язково стежити, щоб валентність елементів дорівнювала кількості зв’язків (рисок) у структурній формулі.
Наведемо кілька прикладів.
Наприклад, складемо структурну формулу Р2О5. Фосфор тут п’ятивалентний, Оксиген, як завжди, — двовалентний. Записуємо спочатку атоми оксидотвірного елемента — Фосфору:
Навпроти записуємо атоми Оксигену:
З’єднуємо їх зв’язками — рисками, при цьому стежимо, щоб від кожного атома Фосфору відходило 5 рисок, а від кожного атома Оксигену — по 2. Виходить так:
Під час складання формул оксигеновмісних кислот пам’ятаємо, що це гідрати оксидів (мають гідроксогрупи). Запишемо структурну формулу H2SO4. Визначимо валентність: Н — одновалентний, О — двовалентний, S — шестивалентний. Спочатку запишемо гідроксогрупи. Їх стільки, скільки атомів Гідрогену.
Потім — кислототвірний елемент і решту Оксигену:
З’єднаємо записані атоми рисками — зв’язками, пам’ятаючи про валентності!
ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ
1. Які електрони називають валентними?
2. Між якими елементами в молекулі утворюється ковалентний полярний зв’язок? ковалентний неполярний?
3. Наведіть приклади речовин:
ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ
1. Розподіліть наведені речовини в таблиці:
Речовини з ковалентним неполярним зв’язком
Речовини з ковалентним полярним зв’язком
2. Позначивши неспарені електрони атома Нітрогену й електрон Гідрогену крапками, намалюйте схему утворення ковалентних зв’язків у молекулі амоніаку ΝΗ3. Укажіть вид ковалентного зв’язку, поясніть вашу схему.
3. Зобразіть схему утворення молекул:
Молекули для цих прикладів підберіть самостійно.
4. Наведіть приклади речовин, до складу яких входить Оксиген, з ковалентним полярним і неполярним зв’язком. Напишіть електронні й структурні формули цих речовин.
5. *Напишіть структурні формули таких молекул: PCl3 і PCl5, SO2 і SO3?
ДОДАТКОВІ ЗАВДАННЯ
1. Відомо, що в утворенні хімічного зв’язку беруть участь валентні електрони. На якому енергетичному рівні перебувають валентні електрони в атомах Оксигену, Сульфуру, Фосфору, Йоду, Селену?
2. Чому Оксиген і Флуор не проявляють найвищу валентність, як їхні сусіди по родині? Поясніть це з точки зору будови атомів.
3. Поясніть, які валентності можуть проявляти Сульфур, Силіцій, Хлор, написавши будову їх атомів.
4. Ковалентний зв’язок утворюється за рахунок спільних електронних пар між атомами неметалічних елементів. Від чого залежить кількість спільних електронних пар? Скільки спільних електронних пар утворюється між атомами в молекулах кисню, фтору, азоту? Напишіть електронну й структурну формули цих сполук.
5. Напишіть електронні схеми утворення молекул брому, гідроген броміду (леткої сполуки з Гідрогеном Брому), гідроген сульфіду (леткої сполуки з Гідрогеном Сульфуру), амоніаку (леткої сполуки з Гідрогеном Нітрогену), йоду. Укажіть типи хімічного зв’язку в молекулах цих сполук. Чим відрізняється ковалентний полярний зв’язок від ковалентного неполярного?
6. Дайте визначення поняття електронегативність. Поясніть, як змінюється електронегативність у періодах і групах? Для елементів другого, третього періоду, для галогенів і лужних елементів укажіть елементи з найменшим і найбільшим значенням електронегативності.
7. Карбон є найголовнішим елементом органічних сполук, де він проявляє тільки одну свою валентність, хоча в неорганічній хімії трапляються його сполуки й з іншою валентністю. Яку валентність буде проявляти Карбон, якщо всі електрони зовнішнього рівня будуть приймати участь в утворенні органічних молекул? Зробіть висновок щодо валентності Карбону в цих сполуках. Напишіть електронну схему утворення молекули метану (леткої сполуки з Гідрогеном Карбону) і запропонуйте структурну формулу цієї молекули. У якому напрямі будуть зміщуватися спільні електронні пари?