Характеристики ковалентной связи.

Ковалентная связь характеризуется направленностью в пространстве, полярностью, кратностью, энергией и длиной.

Как мы знаем, электронные орбитали (кроме s-орбиталей) имеют пространственную направленность. Ковалентная связь, которая является результатом электронно-ядерных взаимодействий, располагается в определенном направлении по отношению к ядрам этих атомов. Если электронные облака перекрываются в направлении прямой, которая соединяет ядра атомов (т. е. по оси связи), такая ковалентная связь называется -связью (сигма-связью). Например, в молекулах Н₂, Cl₂, HC1 атомы соединяются ковалентной -связью. Ковалентные сигма-связи образуются при перекрывании орбиталей: s — s (как в Н₂): s — р (как в НС1), р — р (как в С1₂).

При перекрывании p-орбиталей, направленных перпендикулярно оси связи, образуются две области перекрывания по обе стороны оси связи. Такая ковалентная связь называется -связью (пи-связью) (рис. 6). Например, в молекуле азота атомы связаны одной -связью и двумя -связями (рис. 7).

Рис. 6. Схематическое изображение -связи.

Рис. 7. Схематическое изображение - и -связей в молекуле азота.

Направленность ковалентной связи определяет пространственную структуру молекул, т. е. их форму. Молекула хлороводорода имеет линейную форму: она образована с помощью одной -связи (s — р-орбитали). Молекула воды имеет угловое строение: она образуется за счет перекрытия s-орбиталей двух атомов водорода с двумя взаимно перпендикулярными р-орбиталями атома кислорода (рис. 8). Следовательно, угол между -связями в молекуле воды должен быть равен 90°. В действительности угол равен 104,5°, что объясняется явлением гибридизации. В данном учебном пособии это явление рассматриваться не будет. Молекула аммиака имеет форму правильной пирамиды, молекула метана — форму тетраэдра.

Рис. 8. Строение молекулы воды

Полярность связи определяется асимметрией в распределении общего электронного облака вдоль оси связи.

Если общие электронные пары располагаются симметрично относительно обоих ядер, то такая ковалентная связь называется неполярной.

В молекулах простых веществ – водорода Н₂, кислорода О₂, азота N₂, хлора С1₂, фтора F₂ атомы соединяются неполярной ковалентной связью.

Если общие электронные пары смещаются к одному из атомов, то такая ковалентная связь называется полярной.

Связь в молекулах воды Н₂О, аммиака NH₃, хлороводорода НС1— полярная.

Кратность ковалентной связи определяется числом общих электронных пар, которые связывают атомы.

Связь между двумя атомами при помощи одной пары электронов называется простой (связи Н — С1, С — Н, Н — О и т. д.). Связь между двумя атомами при помощи двух электронных пар называется двойной. Связь между двумя атомами при помощи трех электронных пар называется тройной.

Например, двойная связь наблюдается между атомами углерода в этилене Н₂С = СН₂, тройная связь наблюдается в молекулах азота N N, ацетилена Н — С С — Н.

Длина связи — это равновесное расстояние между ядрами атомов. Длину связи выражают в нанометрах (нм). Чем меньше длина связи, тем прочнее химическая связь. Мерой прочности связи является ее энергия.

Энергия связи равна работе, которую необходимо затратить на разрыв связи. Выражают энергию связи в килоджоулях на моль (кДж/моль); например, в молекуле водорода энергия связи равна 435 кДж/моль. Энергия связи увеличивается с уменьшением длины связи (табл. 10).

Таблица 10. Вид, длина и энергия связи в молекулах некоторых веществ.

Молекула	Вид связи	Длина связи, нм	Энергия связи, кДж/моль
H2 С12 HF	x(s—s) x (px—px) x (s—p)	0,074 0,20 0,092	435 242 560

Энергия связи увеличивается с увеличением кратности связи (табл. 11).

Таблица 11. Длина и энергия связи между атомами азота и между атомами углерода.

Связь	Длина связи, нм	Энергия связи, кДж/моль
N - N	0,140	164,2
N = N	0,120	420,5
N N	0,109	945,6
С - С	0,154	347,7
С = С	0,134	606,7
C C	0,120	831,4

Процесс образования связи протекает с выделением энергии (экзотермический процесс), а процесс разрыва связи – с поглощением энергии (эндотермический процесс).