2.10: Ковалентные связи

Обзор

Когда два атома делят электроны для завершения своих валентных оболочек, они создают ковалентную связь. Электронегативность атома – сила, с которой общие электроны тянутся к атому– определяет, как электроны делятся. Молекулы, образованные ковалентными связями, могут быть полярными или неполярными. Атомы с одинаковыми электронегативностями образуют неполярные ковалентные связи; электроны делятся поровну. Атомы разной электронегативности разделяют электроны неравномерно, создавая полярные связи.

Ковалентная связь формируется двумя общими электронами

Количество ковалентных связей, которые может образовывать атом, продиктовано количеством валентных электронов. Кислород, например, имеет шесть из восьми возможных валентных электронов, а это означает, что каждый атом кислорода нуждается еще в двух электронах, чтобы стать стабильным. Кислород может образовывать одиночные связи с двумя другими атомами, как это происходит, когда он образует воду с двумя атомами водорода (химическая формула H₂O). Кислород может также образовывать двойную связь только с одним другим атомом, который также нуждается еще в двух электронах для завершения своего «октета» (например, другого атома кислорода). Углерод имеет четыре валентных электрона и поэтому может образовывать четыре ковалентных связи, как это происходит в метане (CH_4).

Когда осуществляется ковалентная связь, оба атома разделяют пару электронов в гибридной орбите, которая отличается по форме от обычной орбиты. Электроны, участвующие в связи, таким образом, вращаются по измененной траектории вокруг ядер обоих атомов. Ковалентные связи сильны и, как только сформируются, не могут быть нарушены физическими силами.

Электроотрицательность определяет, является ли молекула полярной или неполярной

Электроотрицательность – это тенденция атома привлекать электроны в связи. Наиболее электроотрицательным атомом является фтор. Начиная со фтора в правом верхнем углу периодической таблицы (не учитывая благородные газы в правом столбце), электроотрицательность атомов имеет тенденцию к снижению с диагональным движением влево вниз по периодической таблице, так что атомы с самыми низкими электроотрицательностями находятся в левом нижнем углу (например, Франций, или Fr). Если атомы имеют резко отличающиеся электроотрицательности, они, скорее всего, образуют ионные связи вместо ковалентных. Однако для атомов, которые образуют ковалентные связи друг с другом, их значения электроотрицательности определяют, будет ли связь полярной или неполярной.

Неполярная связь – это связь, в которой электроны делятся поровну, и нет разницы в заряде в молекуле. Полярная связь, напротив, возникает, когда один атом является более электроотрицательным, чем другой, и тянет электроны к себе. Полярные связи имеют частичный отрицательный заряд с одной стороны и частичный положительный заряд с другой, что важно, потому что это заставляет полярные молекулы вести себя иначе, чем неполярные.

Полярные молекулы - гидрофильные, потому что их частичные заряды привлекают их к другим заряженным молекулам, что также означает, что они растворимы в воде. Неполярные молекулы, содержащие длинные участки углеводородов, такие как жиры, называются гидрофобными. В отличие от полярных молекул, неполярные молекулы не растворяются в воде. Клетки часто окружены жидкостью и имеют цитоплазмы, которые содержат воду. Таким образом, способ взаимодействия молекулы с водой и другими заряженными молекулами влияет на то, как она транспортируется и используется клетками.

Ковалентная связь формируется, когда два атома совместно используют валентные электроны, заполняя каждую из их внешних оболочек для создания одной стабильной молекулы с одиночной связью. Количество ковалентных связей может увеличиться в зависимости от количества электронов, используемых совместно. Например, когда два атома кислорода, каждый с шестью валентными электронами, делит две пары электронов, формируется двойная связь.

Эти связи являются неполярными ковалентными, потому что электроны равномерно распределяется между атомами. Они имеют то же самое притяжение к электронам в ковалентных связях. То есть атомы имеют такую же электроотрицательность.

Чем сильнее атом притягивает электроны из ковалентной связи, тем более электроотрицателен атом. Если имеются два разных элемента с аналогичной электроотрицательностью, как углерод и водород, они также будут одинаково использовать электроны в неполярной ковалентной связи. Но когда два разных элемента с совершенно разной электроотрицательностью связывается вместе, они имеют неравномерное распределение электронов, полярную ковалентную связь.

Например, вода имеет один сильный кислород и два слабых водорода. Атом кислорода держит все отрицательно заряженные электроны в большинстве случаев, предоставляя им частично отрицательный заряд. Такая ситуация оставляет водороды с частичным положительным зарядом, создавая полярное соединение.