Розказуємо про ковалентний зв’язок простими словами, зрозуміє навіть неук.
Ми вже з’ясували, що різні атоми по-різному притягують електрони. Одні роблять це слабше, інші — сильніше. Саме цю здатність ми називаємо електронегативністю. Давайте подивимось, що відбувається, коли два атоми наближаються один до одного? Як саме вони “вирішують”, що робити з електронами?
У деяких випадках атоми не відбирають електрони повністю, а починають ними ділитися. Саме так виникає ковалентний зв’язок — один із найважливіших типів хімічного зв’язку у природі.
Що таке ковалентний зв’язок
Ковалентний зв’язок — це зв’язок, у якому два атоми утримуються разом завдяки спільній парі електронів. Тобто електрони вже не належать повністю одному атому. Вони стають “спільними”.
Такий зв’язок виникає переважно між атомами неметалів. Причому існує два основних типи ковалентного зв’язку.
Неполярний ковалентний зв’язок виникає між однаковими атомами неметалів, які однаково притягують електрони. У цьому випадку спільна електронна пара розташована приблизно посередині між атомами. Наприклад:
- H₂ — водень,
- O₂ — кисень,
- N₂ — азот,
- Cl₂ — хлор.
Полярний ковалентний зв’язок виникає між різними неметалами, у яких електронегативність відрізняється. Тоді один атом тягне спільні електрони сильніше за інший. Через це електрони більшу частину часу перебувають ближче до одного з атомів. Наприклад:
- H₂O — вода,
- HCl — хлороводень,
- NH₃ — аміак.
Саме тому молекула води має “плюсову” і “мінусову” частини, хоча загалом залишається нейтральною.
Умови формування ковалентного зв’язку
Але щоб ковалентний зв’язок взагалі утворився, атоми мають підійти дуже близько один до одного — на відстань приблизно однієї десятимільярдної метра або 0,1 нанометра. Для нашого світу це неймовірно маленька відстань.
Чому саме так близько? Тому що електрони розташовані не в точках, а у вигляді електронних хмар — орбіталей. Коли атоми зближуються достатньо сильно, їхні орбіталі починають перекриватися. Саме тоді електрони можуть “належати” одразу двом атомам. Якщо ж атоми занадто далеко — зв’язок не виникає.
Але й надто близько атоми підійти не можуть. У ядрах є позитивно заряджені протони, і коли атоми зближуються занадто сильно, ядра починають дуже потужно відштовхуватись. Тому хімічний зв’язок виникає лише на певній “ідеальній” відстані, де притягання і відштовхування врівноважуються.
Розглянемо декілька прикладів ковалентного зв’язку.
Утворення води
Один із найвідоміших — утворення води:
Молекули водню H₂ і кисню O₂ самі по собі досить стабільні. Тому при кімнатній температурі вони можуть існувати поруч і майже не реагувати. Але якщо дати достатньо енергії — наприклад, іскру чи полум’я — старі ковалентні зв’язки починають руйнуватись. Після цього атоми перебудовуються і утворюють нові зв’язки вже у молекулах води.
Ця реакція супроводжується величезним виділенням енергії, тому водень може вибухати. А сама вода H₂O має дуже незвичайні властивості: вона є чудовим розчинником, має високу теплоємність і саме завдяки полярному ковалентному зв’язку здатна утворювати водневі зв’язки між молекулами. Саме це робить воду основою життя на Землі.
Утворення вуглекислого газу
Ще один дуже цікавий приклад — утворення вуглекислого газу:
Коли вуглець нагрівають у присутності кисню, атоми кисню починають активно “тягнути” електрони до себе. У результаті утворюється молекула CO₂, де між вуглецем і кожним атомом кисню виникають подвійні ковалентні зв’язки.
Саме ця реакція лежить в основі горіння вугілля, деревини, бензину та багатьох інших видів палива. Для початку реакції потрібне нагрівання до температури займання. Після цього процес часто підтримує себе сам, бо виділяється багато тепла.
Вуглекислий газ — безбарвний газ, який не підтримує горіння. Саме тому його використовують у вогнегасниках. А ще CO₂ відіграє важливу роль у фотосинтезі, адже рослини з його допомогою будують органічні речовини.
Утворення аміаку
Ще один дуже цікавий приклад — утворення аміаку:
Азот N₂ має надзвичайно міцний потрійний ковалентний зв’язок. Саме тому азот у повітрі досить “ледачий” і неохоче вступає у реакції. Щоб змусити азот реагувати з воднем, потрібні високий тиск, висока температура та спеціальний каталізатор — зазвичай залізо.
Під час реакції утворюється аміак NH₃ — речовина з різким запахом, яка добре розчиняється у воді. Аміак став однією з найважливіших речовин сучасної цивілізації, тому що саме з нього виробляють більшість азотних добрив.
Наскільки є міцними ковалентні зв’язки
Ковалентні зв’язки можуть бути дуже міцними. Наприклад, саме надзвичайно міцні ковалентні зв’язки між атомами вуглецю роблять алмаз одним із найтвердіших матеріалів у природі.
Існують також подвійні та потрійні ковалентні зв’язки. Наприклад, у молекулі кисню O₂ атоми діляться двома парами електронів, а в азоті N₂ — трьома. Чим більше спільних електронів, тим сильніше атоми “тримаються” один за одного.
Фактично ковалентний зв’язок — це основа всього живого. Саме завдяки спільним електронам атоми можуть утворювати складні молекули, з яких побудовані клітини, тканини, і весь світ навколо нас. ⚛️