Почему атомы соединяются друг с другом?

Комбинированные реакции

Реакции, в результате которых образуются химические соединения, могут протекать двумя способами, в зависимости от рассматриваемых атомов:

1. Благодаря отталкивающим взаимодействиям, которые являются следствием перекрытия электронных оболочек и электростатического взаимодействия униполярных зарядов.
2. Благодаря действию сил притяжения, вызванных электростатическим взаимодействием разнородных зарядов, например, взаимодействием между электронами и атомными ядрами или изменениями в распределении плотности зарядов.

Однако, судя по всему, в природе существует тенденция стремиться к минимуму энергии. Это относится и к атомам, что напрямую отражается именно в образовании ими химических связей — атомы соединяются, если им это энергетически выгодно. Большинство элементов естественным образом связывают свои атомы с другими или друг с другом.

Химическая связь

Как уже говорилось, атомы могут соединяться с атомами того же или другого химического элемента. Химической связью называется такое взаимодействие между атомами, при котором они оказываются прочно связанными друг с другом. Валентные электроны, находящиеся на внешней оболочке атомов, участвуют в образовании химических связей.

Химическая связь в двухатомном водороде_H2

Водород — химический элемент, относящийся к типу веществ, атомы которых никогда не существуют в свободном состоянии. Его атомы всегда соединены между собой специфической химической связью. При этом каждый из присутствующих атомов водорода отдает один валентный электрон для совместного использования. Это позволяет каждому из них достичь наиболее благоприятного для себя энергетического состояния и получить электронную конфигурацию ближайшего к нему инертного газа в периодической таблице, а именно гелия. Такие совместные электроны известны как совместная электронная пара или электронно-связанная пара. Этот тип связи, возникающий между атомами водорода, можно символически представить как H:H.

Ковалентная связь

Отличным примером возникновения ковалентной связи является описанный ранее двухатомный водород. Они имеют общую электронную пару, что характерно для этого типа связи. Это связано с общностью электронов и образованием связующих электронных пар, которые одинаково или по-разному принадлежат обоим атомам.

Неполярная ковалентная связь

Такие ковалентные связи, в которых связывающая электронная пара принадлежит в равной степени обоим атомам, также называются атомными или неполяризованными ковалентными связями и образуются в основном между атомами одного и того же неметалла. Такие структуры, образованные путем формирования неполяризованных ковалентных связей, называются гомоатомными молекулами.

Электроны двухатомных молекул хлора _Cl2

Для молекулы хлора также характерна неполяризованная ковалентная связь, при которой два атома хлора делят между собой по одному валентному электрону, образуя электронный октет и электронную конфигурацию аргона. Если рассмотреть электроны, находящиеся на обоих атомах хлора в молекуле, то можно увидеть, что, помимо связывающей электронной пары, есть еще и электроны, которые не участвуют непосредственно в образовании химической связи. Такие электроны или пары электронов называются несвязанными электронами.

Как устроена молекула азота?

Оказывается, неметаллы могут иметь более одной электронной пары. Например, молекула азота состоит из двух атомов азота. Каждый из них имеет пять валентных электронов на последней оболочке, поэтому для октета необходимо иметь целых три дополнительных электрона. Чтобы получить желаемую электронную конфигурацию, каждый атом азота отдает три электрона для совместного использования. В результате между атомами образуется три пары электронов. Такая специфическая связь имеет собственное название — тройная связь. В дополнение к общим электронным парам каждый атом азота имеет одну несвязанную электронную пару. Тройная связь — это максимально возможная связь, которую могут образовать атомы. В природе не обнаружено химических соединений, для которых характерно наличие более трех связей в молекуле.

А как насчет гетероатомных молекул?

Как и атомы одного и того же химического элемента, атомы различных неметаллов способны соединяться друг с другом за счет образования общих связующих электронных пар. Самым известным примером такой структуры является хлористый водород — химическое соединение, образующееся при слиянии атомов водорода и хлора. Каждому из атомов, входящих в состав молекулы, требуется один электрон для достижения наиболее благоприятной для себя электронной конфигурации.

Ковалентная связь в молекуле хлористого водорода

Чтобы получить электронную конфигурацию ближайших инертных газов, водород и хлор отдают по одному валентному электрону, образуя связующую электронную пару. В результате такой обработки образуются две постоянные электронные конфигурации: водород принимает конфигурацию гелия, а атом хлора — конфигурацию аргона. Таким образом, на их валентных оболочках есть дублет и октет электронов, соответственно.

Однако здесь мы можем наблюдать несколько иное взаимодействие, чем в случае с молекулой водорода — оказывается, что электронная пара, образовавшаяся между атомами водорода и хлора, не принадлежит им в равной степени. Она смещается в сторону того, кто обладает большей способностью притягивать электроны, в данном случае атома хлора, и именно к нему смещается связывающая электронная пара. Этот тип связи также является ковалентной связью, но дополнительно называется «поляризованной».

Полярная ковалентная связь

Такая связь образуется между атомами, принадлежащими к разным неметаллам. Они совершают характерное для ковалентной связи движение — обмениваются некоторыми электронами, но по сравнению с неполяризованной ковалентной связью образующиеся электронные пары в этом случае смещены в сторону одного из атомов. Тот, у которого сильнее электронное притяжение. Обычно это тот атом, у которого больше электронов на валентной оболочке. Это всегда тот атом, который обладает большей электроотрицательностью.

Электронная структура молекулы аммиака

Аммиак — это молекула, состоящая из одного атома азота и трех атомов водорода. Имеет полярную ковалентную связь. Зная, что азот относится к 15-й группе периодической таблицы элементов, мы знаем, что у него пять валентных электронов. В отличие от этого, каждый атом водорода имеет только один электрон. Для постоянной электронной конфигурации азоту необходимо три электрона, которые могут быть предоставлены присутствием атомов водорода. Каждый из них образует одну связующую электронную пару с атомом азота. Это гарантирует, что каждый атом имеет наиболее благоприятную для себя электронную конфигурацию. Поскольку атом азота обладает большей способностью притягивать электроны, чем атом водорода, все три связывающие электронные пары смещены именно к нему.

Электронная структура молекулы углекислого газа

Атом углерода находится в 14-й группе периодической таблицы и поэтому имеет четыре валентных электрона на своей валентной оболочке. Напротив, каждый из двух атомов кислорода имеет шесть валентных электронов. Поскольку нынешние атомы стремятся только к октетам, атомы кислорода отдают два электрона для совместного использования, а атом углерода обменивается двумя электронами с каждым, в результате чего все четыре валентных электрона становятся общими. В результате образуется целых четыре пары связанных электронов — по две между атомом углерода и каждым атомом кислорода. Сравнивая значения электроотрицательности атомов углерода и кислорода, мы знаем, что именно кислород проявляет большую склонность к притягиванию электронов. Поэтому все четыре связывающие электронные пары смещены в сторону атомов кислорода.

Как проверить тип связи, присутствующей в молекуле?

Ключевым фактором, определяющим тип связи в молекуле, является электроотрицательность составляющих ее атомов. Это способность атомов притягивать электроны, а значит, и в случае ковалентной связи, способность притягивать друг к другу связывающие электронные пары. Чем больше значение электроотрицательности, тем сильнее атом притягивает электроны. Кроме того, разница между электроотрицательностями атомов, входящих в молекулу, говорит о том, с каким типом химической связи мы имеем дело. Если в молекуле разница в электроотрицательности образующих ее атомов, обозначаемая как ΔE, равна 0,0 или не превышает 0,4, связь ковалентно неполяризована. Если ΔE находится в пределах от 0,4 до 1,6, в молекуле имеется поляризованная ковалентная связь. Если же разница в электроотрицательности атомов превышает 1,6, это свидетельствует о наличии ионной связи.