-Ковалентний зв'язок

Ковалентний зв'язок здійснюєть­ся тоді, коли взаємодіють атоми з однаковими або близькими зна­ченнями електронегативності, тобто ковалентний зв'язок утворю­ють атоми однакової хімічної природи або близькі за хімічними властивостями. Ковалентний зв'язок виникає також при утворен­ні багатоатомних сполук, наприклад координаційних.

З розвитком квантової механіки було встановлено, що природа ковалентного зв'язку полягає в особливій квантово-механічній взаємодії електронів, яка зумовлює сполучення атомів.

Як приклад розглянемо взаємодію двох атомів Гідрогену з утво­ренням молекули, яка має чотири частинки – два ядра і два елек­трони. У процесі взаємодії двох атомів Гідрогену змінюються енергія системи і густина електронних хмар.

Енергія молекули складається з кінетичної енергії елек­тронів і потенціальної енергії електронів і ядер, що взаємодіють між собою. Для характеристики енергії систем застосовують так звані "потенціальні криві".

Зміна внутрішньої енергії в системі з двох атомів Гідрогену залежно від відстані між ядрами подана на рис.4. Характер цієї потен­ціальної кривої пояснюється тим, що при зближенні атомів Гідрогену (А і В) виникають такі види взаємодії: відштовхування між ядрами різних атомів, електронами різних атомів і притягання кожного електрона до двох ядер. Спочатку при зближенні атомів Гідрогену між ними пере­важають сили притягання, внаслідок чого спостерігається посту­пове зниження енергії системи (частина кривої від В до М). Мінімум енергії (енергія зв'язку) відповідає такому стану системи, коли сили притягання і відштовхування зрівноважені. Після цього сили відштовхування переважають, що призводить до різкого збіль­шення енергії системи (частина кривої від М до С). Значення r0 відповідає довжині зв'язку і дорівнює для молекули водню 0,074нм; енергія зв'язку становить 4,5еВ.

Утворення молекули водню супроводиться крім зміни енергії системи зміною густини електронних хмар. Якщо при сполученні двох атомів Гідрогену електронні хмари атомів взаємно не проникають одна в одну, то довжина зв'язку має дорівнювати 0,053·2 = 0,106 нм. Насправді ж довжина зв'язку в молекулі водню дорівнює 0,074 нм. Це свідчить про те, що при утворенні ковалентного зв'язку відбувається перекри­вання електронних хмар атомів водню (рис.5)Отже, описати хімічний зв'язок у речовині означає встановити, як саме розподіляється електронна густина, для чого треба розв'язати рівняння Шредінгера. Для систем з двома і більшим числом електронів застосовують наближені ме­тоди обчислення хвильової функції. Найпоширенішими є два методи: метод валентних зв'язків (ВЗ) і метод молекулярних орбіталей (МО). У розвитку першого методу особлива заслуга належить В. Гейтлеру і Ф. Лондону, Дж. Слетеру і Л. Полінгу, у розвитку другого методу – Р. Маллікену і Ф. Гунду.

Метод валентних зв'язків грунтується на положенні, що кожна пара атомів у молекулі утримується разом за допомогою електрон­них пар, тобто хімічний зв'язок, локалізований між двома атома­ми, – двохелектронний і двохцентровий; він утворюється внаслідок перекривання атомних електронних хмар (див. рис.5). У місці перекривання електронних хмар, тобто у просторі між атомами, електронна густина максимальна. Це означає, що ймовірність пере­бування електронів у просторі між ядрами більша, ніж в інших місцях молекули. Завдяки цьому зростають сили притягання між позитивним зарядом ядра і негативними зарядами електронів, що приводить до утворення молекули.

У методі молекулярних орбіталей молекула розглядається як єдине ціле, де кожний електрон рухається в полі інших електронів і ядер. Стан молекули описується сукупністю електронних моле­кулярних орбіталей.

Метод валентних зв' язків дає більш наочне уявлення про будову молекул, характерні особливості ковалентного зв'язку (насиче­ність, напрямленість і полярність), тому він частіше застосовується для якісного розв'язання питань хімічного зв'язку.