З самого початку досліджень характеристик матерії вчені інтуїтивно усвідомлювали існування сили, здатної встановлювати зв'язки між різними видами. «Частинки притягуються одна до одної за допомогою сил», — сказав Ісаак Ньютон, а роками пізніше, завдяки винаходу знаменитої вольтової батареї, Йонс Якоб Берцеліус розробив теорію щодо процесу хімічного поєднання.
Завдяки прогресу досліджень, проведених різними вченими, сьогодні ми впевнені, що хімічні елементи , як і люди, взаємодіють один з одним, і в результаті цієї дії виникають нові структури, злиття, сполуки та величезна різноманітність перетворень.
Результат такої взаємодії залежить від індивідуальних характеристик кожного атома , що обмежує тип утвореного зв'язку, стабільність сполуки та багато її фізичних і хімічних властивостей. Для того, щоб у молекулі виник неполярний ковалентний зв'язок , задіяні види повинні бути дуже схожими з точки зору електронегативності.
Умови, що визначають утворення ланок
Хоча може здаватися, що ці процеси утворення сполук через зв'язок відбуваються спонтанно та за всіма можливими сценаріями, правда полягає в тому, що зв'язок між атомами відбувається лише тоді, коли навколишні умови процесу сприятливі. Такі фактори, як температура та тиск, обмежують перебіг реакції, а також змінюють результат або характеристики утвореної сполуки.
Ще одним важливим аспектом є концентрація речовин , яка визначає кількість і тип компонента, що утвориться в результаті процесу поєднання. У багатьох реакціях навіть незначна зміна пропорції реагентів може призвести до утворення різних продуктів або взагалі запобігти протіканню реакції.
Індивідуальні характеристики частинок , особливо їхня електронегативність, атомний радіус та електронна конфігурація, визначають кількість та види частинок, що поєднуються; вони також визначають тип зв'язку , який утворюється. Ми повинні пам'ятати, що, згідно зі шкалою, запропонованою Лайнусом Полінгом, тип утвореного зв'язку залежить від різниці в електронегативності між видами.
- Іонний: Різниця електронегативності більша або дорівнює 1,7Це показує, що цей тип зв'язку характерний для видів з дуже різною електронегативністю, тому більш електронегативний атом Воно сильно притягує валентні електрони, що генерують позитивні та негативні іони, що утримуються разом електростатичними силами.
- Полярний ковалент: Різниця між 1,7 і 0,5 приблизно. Зазвичай він утворюється між елементами висока електронегативність (переважно неметали), і так трапляється, що утворена сполука є результатом нерівний відсік електронів. Один з атомів дещо сильніше притягує електронну хмару, створюючи зв'язок з певним характером полярності.
- Неполярний ковалентний: Це трапляється, коли записана різниця становить менше або дорівнює 0,4 – 0,5 (хоча в багатьох випадках вона практично дорівнює нулю). У цій ситуації електрони розподіляються набагато збалансованішим чином.
Ці критерії різниці електронегативності дозволяють нам передбачити полярність зв'язку . Зокрема, значення від 0 до приблизно 0,4 відповідають неполярним ковалентним зв'язкам , у яких електронна хмара розподілена майже рівномірно між двома зв'язаними атомами.
Що таке неполярний ковалентний зв’язок?
Хімічний зв'язок — це сила, яка об'єднує два атоми. Ці взаємодії між ними надають їм більшої енергетичної стабільності. З'єднуючи кілька атомів за допомогою зв'язків, утворюються молекули або кристалічні решітки, які є основою всієї відомої матерії.
Зі структурної точки зору, атом складається з ядра (протонів і нейтронів) та хмари електронів, що рухаються навколо нього. Ці електрони, особливо ті, що знаходяться у валентній оболонці , беруть участь у зв'язках. Ізольований атом, як правило, не дуже стабільний, тому він схильний взаємодіяти з іншими атомами для досягнення більш стабільних електронних конфігурацій, часто подібних до конфігурацій благородних газів.
Як добре відомо, ядро атомів заряджене позитивно, тому природною тенденцією двох хімічних речовин було б відштовхування одне від одного. Однак саме хмара електронів, що обертаються навколо ядра, робить можливим утворення хімічних зв'язків, оскільки ці електрони можуть бути спільними або передаватися між різними атомами.
Для утворення зв'язку присутні хімічні речовини повинні відповідати загальній умові: одна з них повинна не мати електронів на своїй найзовнішій оболонці, а інша повинна мати електрони, доступні для обміну . Це притягання між позитивними ядрами та спільною електронною хмарою дозволяє збалансувати силу відштовхування між ядрами електрон-ядерним притяганням, стабілізуючи таким чином систему.
Неполярний ковалентний зв'язок , який також називають чистим або аполярним ковалентним зв'язком, — це об'єднання двох атомів, які мають майже однакову кількість спільних пар електронів . Тобто електрони, що утворюють зв'язок, проводять приблизно однаковий час поблизу одного з атомів, що й іншого, без будь-якого значного розділення зарядів.
Цей тип зв'язку виникає між двома однаковими атомами (одного й того ж елемента) або між двома різними атомами з дуже схожою електронегативністю . З точки зору різниці електронегативностей, ковалентний зв'язок вважається неполярним, коли ця різниця знаходиться в межах від 0 до 0,4–0,5 . Нижче цих значень розподіл електронної хмари є достатньо симетричним, що чітко визначених полюсів немає.
Молекули, що утворюються в результаті цього типу зв'язку, не мають сумарного заряду та часто мають симетричну структуру, що сприяє нульовому загальному дипольному моменту. Це не найпоширеніший тип зв'язку у всіх сполуках, але він є фундаментальним, наприклад, у двоатомних молекулах багатьох газів та у великій кількості органічних сполук.
Типи неполярних ковалентних зв'язків залежно від спільних електронів
У неполярному ковалентному зв'язку атоми можуть мати одну, дві або три пари електронів. Залежно від кількості спільних пар, розрізняють кілька типів:
- Просте посилання: є спільним одна пара електронів між двома атомами. Це випадок зв'язку H-H у молекулі водню (H2).
- Подвійне посилання: спільні два шматочки електронів. Прикладом є зв'язок C=C у молекулі етилену (C2H4), де спільні електрони розподілені майже однорідно між обома атомами вуглецю.
- Потрійне посилання: спільні три пари електронів. Типовим прикладом є зв'язок N≡N у молекулі азоту (N2), який, незважаючи на свою велику міцність, залишається неполярним ковалентним зв'язком через рівність електронегативностей.
У всіх цих випадках визначальним фактором є не лише кількість спільних пар, але й рівність або подібність електронегативності атомів-учасників, що і забезпечує відсутність позначених полюсів.
Приклади неполярних ковалентних зв'язків
Існує безліч прикладів неполярних ковалентних зв'язків як у молекулах, утворених однаковими атомами, так і в молекулах, утворених різними атомами з подібною електронегативністю. Деякі з найбільш репрезентативних випадків є наступними:
- Зв'язки між однаковими атомами: коли утворюється зв'язок між двома атомами той самий елементРізниця в електронегативності рівно нульова. Електронна хмара розподілена порівну між обома. Класичними прикладами є водень (H₂) та водень (H₂).2), азот (N2), кисень (O2), фтор (F2), бром (Br2) та інші двоатомні молекули неметалічних елементів.
- Молекула водню (H2): Два атоми водню мають спільний валентний електрон, утворюючи один ковалентний зв'язок. Оскільки обидва атоми ідентичні, різниця електронегативності дорівнює нулю, тому зв'язок явно неполярний.
- Молекула фтору (F2Хоча фтор є найбільш електронегативним елементом періодичної таблиці, коли один атом фтору зв'язується з іншим, жоден з них не може притягувати електронну хмару сильніше, ніж інший. Електронегативність однакова, а зв'язок неполярний ковалентний.
- Молекула озону (O3У цій молекулі центральний атом кисню пов'язаний з двома іншими атомами кисню ковалентними зв'язками. Зв'язки OO окремо є неполярний ковалентний оскільки вони виникають між атомами з однаковою електронегативністю, хоча повна молекула має складнішу структуру та певні резонансні ефекти.
- Молекула азоту (N2): кожен атом азоту має спільні три неспарені валентні електрони з іншим, утворюючи потрійне посиланняРізниця в електронегативності дорівнює нулю, тому зв'язок N≡N є неполярним ковалентним і надзвичайно міцним.
- Зв'язки CH у метані (CH4Метан є цікавим випадком, оскільки його зв'язки C-H виникають між атомами різних елементів. Різниця електронегативності між вуглецем і воднем близька до 0,4Це значення знаходиться на межі між неполярним та слабополярним зв'язком. У багатьох контекстах його вважають прикладом неполярного ковалентного зв'язку або, принаймні, зв'язку з дуже низькою полярністю. Крім того, тетраедрична геометрія Властивості метану призводять до того, що, хоча кожен зв'язок може мати незначну полярність, дипольні моменти компенсують один одного, і вся молекула є неполярною.
- Молекула етилену (C2H4): етилен має чотири зв'язки CH та один C=C подвійний зв'язокЯк зв'язки CH (дуже низької полярності), так і зв'язок C=C є неполярними ковалентними зв'язками з точки зору розподілу заряду. Загальна молекула демонструє симетрію, яка підсилює її неполярний характер.
- Сульфід вуглецю (CS2): ця сполука має атом вуглецю, лінійно зв'язаний з двома атомами сірки через подвійні зв'язки C=S. Різниця в електронегативності між вуглецем і сіркою не дуже велика, тому зв'язки мають слабополярний характер. Крім того, лінійна геометрія призводить до того, що будь-які потенційні дипольні моменти взаємно компенсуються, що призводить до загалом неполярної молекули.
У всіх цих прикладах або електронегативності рівні, або різниця менша за 0,4 – 0,5 , що гарантує майже рівномірний розподіл спільної електронної хмари.
Характеристика сполук з неполярними ковалентними зв’язками
Сполуки, утворені переважно неполярними ковалентними зв'язками, демонструють набір характеристик, які відрізняють їх від іонних сполук або сполук із сильно полярними ковалентними зв'язками. Серед їхніх найважливіших характеристик є наступні:
- Вони мають низькі температури плавлення та кипіння порівняно з іонними або металевими сполуками. Багато речовин цього типу перебувають у газоподібному або рідкому стані за кімнатної температури, такі як водень (H₂).2), азот (N2) або бром (Br2).
- Вони погано проводять теплооскільки їм бракує вільних електронів або рухомих іонів, які можуть ефективно транспортувати теплову енергію через структуру.
- Син нерозчинний у воді при різних температурах або демонструють дуже низьку розчинність. Як правило, сполуки неполярний Вони, як правило, краще розчиняються в неполярних розчинниках (таких як деякі вуглеводні), тоді як вода є сильно полярним розчинником.
- Син погані провідники електрикиОскільки його молекули електрично нейтральні та не дисоціюють на іони при розчиненні, а рухомих носіїв заряду немає, електричний струм не передається легко.
- Молекули зазвичай симетричний відносно площини або осі відліку, що сприяє тому, щоб векторна сума можливих дипольних моментів зв'язку була рівною нулю. Ця симетрія є ключовою для того, щоб сполука загалом поводилася як неполярна речовина.
- Присутні відносно низькі енергії зв'язку Порівняно з деякими іонними зв'язками або розгалуженими ковалентними мережами (такими як алмаз), це означає, що загалом для розриву окремого неполярного ковалентного зв'язку потрібно менше енергії, ніж для розриву міцного іонного зв'язку.
- Вони можуть утворювати тверді речовини, рідини або гази за кімнатної температури, залежно від сили міжмолекулярних сил (сил Лондона, індукованого диполя тощо) та розміру молекул. Наприклад, азот (N2) — газ, бром (Br2) є рідкими та органічними сполуками, такими як нафталін (C10H8) є молекулярними твердими речовинами.
У сукупності ці властивості пояснюють, чому багато сполук з неполярними ковалентними зв'язками використовуються як органічні розчинники , паливо або ізоляційні матеріали, як електричні, так і теплові.
Процедура визначення типу зв’язку в молекулі
Якщо ви хочете точніше визначити, чи є тип зв'язку в молекулі неполярним ковалентним , ви можете виконати просту процедуру, засновану на електронегативності елементів:
- Спочатку визначте, з яких елементів складається молекула та їхню природу: чи є вони металиЗазвичай вони розташовані з лівого боку та в центрі періодичної таблиці; якщо вони є немає металів, знаходяться праворуч (включаючи водень у багатьох схемах дослідження).
- Перш ніж виконувати розрахунок, ви вже можете мати один поняття результатуЗа визначенням, якщо ви перебуваєте в присутності двох неметалевих елементів, утворюється сполука. ковалентний зв'язокПитання, чи буде воно полярним, чи неполярним, залишиться відкритим.
- Знайдіть електронегативності для кожного елемента періодичної таблиці (зазвичай використовуючи значення за шкалою Полінга). Запишіть значення, що відповідає кожному атому, який бере участь у зв'язку.
- Зробити просте віднімання між значеннями електронегативності (зазвичай, вище значення мінус нижче значення). Результат дасть вам різниця електронегативності між обома атомами.
- Порівняйте отримане значення з контрольними інтервалами: якщо різниця більше або дорівнює 1,7, зв'язок буде переважно іонним; якщо він знаходиться між 0,5 і 1,7, вважається полярний ковалентнийА якщо це так менше або дорівнює 0,4 – 0,5, Мова йде про a неполярний ковалентний зв'язок або дуже низької полярності.
Окрім цього кількісного аналізу, важливо враховувати геометрію молекули . Молекула може містити кілька полярних зв'язків і все ж бути глобально неполярною, якщо просторове розташування зв'язків призводить до взаємної компенсації дипольних моментів. Типовим прикладом є вуглекислий газ (CO₂ ) , в якому зв'язки C=O полярні, але лінійна геометрія робить загальний дипольний момент нульовим.
Розуміння полярності зв'язків та молекулярної полярності є ключовим у хімії для прогнозування таких властивостей, як розчинність, температури плавлення та кипіння, реакційна здатність та поведінка речовин у різних середовищах.
Детальне вивчення неполярних ковалентних зв'язків дозволяє нам зрозуміти, чому так багато повсякденних речовин (атмосферні гази, паливо, пластмаси та інші органічні молекули) демонструють фізичну поведінку, дуже відмінну від поведінки іонних солей або металів, незважаючи на те, що вони складаються з кількох типів атомів, які поєднуються різними способами.