Глава V.35 Ковалентная химическая связь

В том же 1916 г. американский физикохимик Гилберт Льюис пришёл к аналогичному выводу, что и В. Коссель: атомы химических элементов стремятся к завершению внешнего слоя из восьми электронов. Однако учёный  решил, что атомам одного и того же неметалла отдавать внешние электроны таким же атомам затруднительно, так как этих электронов слишком много. Устойчивый восьмиэлектронный слой у таких атомов достигается за счёт того, что каждый из них, связываясь в молекулу, передаёт в совместное пользование свои внешние электроны. При этом образуются общие (поделённые) электронные пары, которые принадлежат внешним электронным слоям соседних атомов. Оба атома удерживаются в молекуле вместе потому, что их положительные ядра притягиваются к электронным парам, которые в одинаковой степени поделены между ними.

Так, например, образуются двухатомные молекулы хлора Cl₂.

Каждый атом хлора, как и любого другого галогена, содержит на внешнем электронном слое семь электронов: три электронные пары и один непарный электрон, что условно отражает следующая электронная формула его внешнего слоя:

Следовательно, каждому атому не хватает до завершения одного электрона. При сближении двух атомов хлора непарные электроны объединяются в общую электронную пару, которая и связывает их в молекулу.

Для того чтобы изобразить образование ковалентной связи, используют условное обозначение – общую электронную пару обозначают чёрточкой, или валентным штрихом. Формулу, показывающую порядок соединения атомов в молекуле, в которой ковалентные связи обозначены валентным штрихом, называют структурной формулой. Для молекулы хлора структурную формулу записывают так:

Cl–Cl

Атомы водорода, стремящиеся к получению двухэлектронного завершённого слоя, как у атома гелия, ведут себя аналогично:

Обратите внимание на название этого вида химической связи: ковалентная, а также на название чёрточки в структурной формуле вещества – валентный штрих.

И в молекуле хлора, и в молекуле водорода атомы одновалентны и связаны между собой одной общей электронной парой. Такая связь называется одинарной.

Рассмотрим, как образуется молекула азота N₂. Его атомы содержат на внешнем слое пять электронов (это элемент VA-группы). Чтобы найти число непарных электронов, нужно из восьми вычесть пять (число внешних электронов, равное номеру группы). Следовательно, на внешнем слое атома азота содержится одна электронная пара и три непарных электрона.

Атомы азота соединяются в молекулу с помощью трёх общих электронных пар (азот трёхвалентен):

N$\equiv$N

Нетрудно определить кратность этой ковалентной связи. Такая связь называется тройной.

Так как молекулы простых веществ-неметаллов образованы атомами одного и того же химического элемента, то общие электронные пары принадлежат этим атомам в равной степени. Следовательно, атомы не получают заряд, и такую химическую связь называют ковалентной неполярной.

При нормальных условиях многие простые вещества-неметаллы, молекулы которых образованы за счёт ковалентной неполярной связи, являются газами (водород, кислород, азот, фтор, хлор и др.). Однако при высоком давлении и низких температурах они превращаются в твёрдые кристаллические вещества за счёт межмолекулярного взаимодействия. В узлах их кристаллических решёток располагаются молекулы. Такие кристаллические решётки называются молекулярными. Они характерны и для сложных веществ (углекислого газа, хлороводорода, метана и др.).

Силы межмолекулярного притяжения довольно слабые, поэтому в кристаллическом состоянии такие вещества легкоплавки, непрочны и летучи.

Молекулярные кристаллические решётки имеют перешедшие в твёрдое агрегатное состояние жидкости, молекулы которых образованы ковалентной связью, например бром, а также некоторые твёрдые вещества (белый фосфор, иод).

Существуют вещества с ковалентной неполярной связью – алмаз (см. рис. 31), кремний, кристаллический бор – имеют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются атомы. Эти решётки называют атомными кристаллическими решётками. В отличие от веществ с молекулярными кристаллическими решётками вещества с атомными кристаллическими решётками имеют очень высокую температуру плавления: у алмаза она выше 3500 °С, а у кремния – 1415 °С. Вещества с такими кристаллическими решётками очень твёрдые и прочные.