Чому атоми з’єднуються?

Комбіновані реакції

Реакції, які утворюють хімічні сполуки , можуть відбуватися двома шляхами залежно від атомів:

1. За допомогою відштовхувальних взаємодій , які є наслідком перекриття електронних оболонок і електростатичної взаємодії уніполярних зарядів.
2. Завдяки дії сил притягання, викликаних електростатичною взаємодією різнорідних зарядів, наприклад взаємодією між електронами та атомними ядрами або внаслідок змін у розподілі густини заряду.

Виявляється, в природі існує тенденція прагнути до мінімальної енергії . Це стосується і атомів, що безпосередньо відображається саме на створенні ними хімічних зв’язків – атоми об’єднуються, якщо їм це енергетично вигідно. Більшість елементів природно зв’язують свої атоми з іншими або один з одним.

Хімічний зв’язок

Як згадувалося раніше, атоми можуть сполучатися з атомами того самого або іншого хімічного елемента . Хімічним зв’язком називають таку взаємодію між атомами, яка призводить до їх постійного зв’язку між собою. Валентні електрони , присутні на зовнішній оболонці атомів, беруть участь в утворенні хімічних зв’язків.

Хімічний зв’язок у двоатомному водні H ₂

Гідроген — хімічний елемент і речовина, атоми якої ніколи не існують у вільному стані. Його атоми завжди поєднані певним хімічним зв’язком . Це включає в себе кожен з присутніх атомів водню, віддаючи один валентний електрон, щоб бути спільним. Це дозволяє кожному з них досягти найбільш сприятливого для себе енергетичного стану та отримати електронну конфігурацію благородного газу, найближчого до нього в періодичній системі, а саме гелію. Такі спільні електрони відомі як спільна електронна пара або пара електронного зв’язку. Цей тип зв’язку між атомами водню можна символічно представити як Н:Н.

Ковалентний зв’язок

Чудовим прикладом виникнення ковалентного зв’язку є описаний раніше двоатомний водень. Він має спільну електронну пару, яка характерна для цього типу зв’язку. Він передбачає спільність електронів і утворення зв’язуючих електронних пар, які однаково або по-різному належать обом атомам.

Неполярний ковалентний зв’язок

Такі ковалентні зв’язки, в яких зв’язуюча електронна пара однаково належить обом атомам, називають також атомарними або неполярними ковалентними зв’язками і утворюються переважно між атомами одного і того ж неметалу. Такі структури, які утворюються шляхом утворення неполярних ковалентних зв’язків, називаються гомоатомними молекулами.

Електрони двохатомних молекул хлору Cl ₂

Неполярний ковалентний зв’язок також характерний для молекули хлору , у якій два атоми хлору поділяють по одному валентному електрону кожен, утворюючи октет електронів і електронну конфігурацію аргону. Розглядаючи електрони, присутні в обох атомах хлору в молекулі, можна побачити, що, крім зв’язуючої електронної пари, є також електрони, які безпосередньо не беруть участі в утворенні хімічного зв’язку. Такі електрони або пари електронів називаються незв’язуючими електронами.

Яка структура молекули азоту?

Виявляється, що неметали можуть мати спільну більше ніж одну електронну пару . Наприклад, молекула азоту складається з двох атомів азоту. Кожна з них має п’ять валентних електронів на останній оболонці, що робить необхідним мати до трьох додаткових електронів для створення октету. Щоб досягти бажаної електронної конфігурації, кожен атом азоту віддає три електрони для спільного використання. Це призводить до трьох зв’язуючих електронних пар між атомами . Такий специфічний зв’язок має свою назву – потрійний зв’язок. Окрім спільних електронних пар, кожен атом азоту має одну незв’язуючу електронну пару. Потрійний зв’язок є максимально можливим для утворення атомів. У природі не знайдено хімічних сполук, які характеризуються наявністю в молекулі більше трьох зв’язків.

А як щодо гетероатомних молекул?

Подібно до атомів, що належать до одного хімічного елемента, атоми різних неметалів здатні зв’язуватися один з одним шляхом утворення спільних зв’язуючих електронних пар. Найвідомішим прикладом такої структури є хлористий водень, хімічна сполука, утворена сполученням атомів водню та хлору. Кожному з атомів, що утворюють молекулу, потрібен один електрон, щоб досягти найбільш сприятливої ​​для себе електронної конфігурації.

Ковалентний зв’язок у молекулі хлороводню

Щоб досягти електронної конфігурації найближчих благородних газів , і водень, і хлор віддають по одному валентному електрону, щоб створити зв’язуючу електронну пару. Ця обробка призводить до двох постійних конфігурацій електронів, при цьому водень приймає конфігурацію гелію, а атом хлору приймає конфігурацію аргону. Таким чином, на їх валентних оболонках є відповідно дублет і електронний октет . Однак тут ми можемо спостерігати дещо іншу взаємодію, ніж у випадку з молекулою водню – виявляється, що електронна пара, що утворилася між атомами водню і хлору, не однаково їм належить. Він зсувається в бік того, хто має більшу здатність притягувати електрони, в даному випадку атома хлору, тому зв’язуюча електронна пара зсувається до нього. Цей тип зв’язку також є ковалентним зв’язком, але додатково називається «полярним».

Полярний ковалентний зв’язок

Такий зв’язок утворюється між атомами, що належать до різних неметалів. Вони виконують характерний рух ковалентного зв’язку – вони ділять частину своїх електронів, але порівняно з неполярним ковалентним зв’язком електронні пари, що утворюються в цьому випадку, зсуваються до одного з атомів. Той, який сильніше притягує електрони. Зазвичай атом має більшу кількість електронів на валентній оболонці. Завжди атом має вищу електронегативність.

Електронна будова молекули аміаку

Аміак – це молекула, що складається з одного атома азоту та трьох атомів водню. Має полярний ковалентний зв’язок. Знаючи, що азот належить до 15 групи періодичної системи елементів , ми знаємо, що він має п’ять валентних електронів. Навпаки, кожен атом водню має лише один електрон. Для постійної електронної конфігурації азоту потрібні три електрони, які можуть бути забезпечені наявністю атомів водню. Кожен утворює одну електронну пару з атомом азоту. Це гарантує, що кожен наявний атом має найбільш сприятливу для себе електронну конфігурацію. Оскільки атом азоту має більшу здатність притягувати електрони, ніж атом водню, усі три зв’язуючі електронні пари зсунуті саме до нього.

Електронна будова молекули вуглекислого газу

Атом Карбону знаходиться в групі 14 періодичної системи і тому має чотири валентні електрони на валентній оболонці. Навпаки, кожен з двох атомів кисню має шість валентних електронів. Оскільки нинішні атоми прагнуть лише до октетів, атоми кисню віддають два електрони, щоб поділитися, а атом вуглецю поділяє два електрони з кожним, щоб загалом розділити всі чотири валентні електрони. Це призводить до чотирьох зв’язуючих електронних пар – по дві між атомом вуглецю та кожним атомом кисню. Порівнюючи значення електронегативності атомів вуглецю та кисню, ми знаємо, що саме кисень має більшу схильність притягувати електрони. Тому всі чотири зв’язувальні електронні пари зміщені в бік атомів кисню.

Як перевірити тип зв’язку в молекулі?

Ключовим фактором у визначенні типу зв’язку в молекулі є електронегативність її атомних складових. Це здатність атомів притягувати електрони і, отже, також у випадку ковалентного зв’язку здатність притягувати зв’язуючі електронні пари один до одного. Чим більше значення електронегативності, тим сильніше атом притягує електрони. Крім того, різниця між електронегативністю атомів, присутніх у молекулі, говорить нам, з яким типом хімічного зв’язку ми маємо справу. Якщо в молекулі різниця в електронегативності атомів, що її утворюють, позначена як ΔE, дорівнює 0,0 або не перевищує 0,4, зв’язок є ковалентно неполяризованим. Якщо ΔE становить від 0,4 до 1,6, то в молекулі існує полярний ковалентний зв’язок. Якщо ж різниця в електронегативності атомів перевищує 1,6, то це свідчить про наявність іонного зв’язку.