Разуменне кавалентнасці і прыклады
Пендахулуан
У хіміі спосаб, якім атамы злучаюцца, утвараючы рэчыва, у значнай ступені вызначае ўласцівасці гэтага рэчыва. Адно з важных паняццяў, якое тлумачыць, як атамы звязваюцца, — гэта кавалентнасць. Кавалентныя сувязі (кавалентнасць) часта сустракаюцца ў злучэннях, якія складаюцца з неметалічных элементаў, напрыклад, у вадзе (H₂O), вуглякіслым газе (CO₂), метане (CH₄) і розных арганічных злучэннях, якія з'яўляюцца асновай жыцця. Разуменне значэння кавалентнасці і прыкладаў дапаможа нам зразумець, як утвараюцца малекулярныя структуры, чаму пэўныя рэчывы маюць пэўныя тэмпературы кіпення, чаму некаторыя злучэнні лёгка раствараюцца ў вадзе і як узнікае хімічная рэакцыйная здольнасць.
Разуменне кавалентнасці
Кавалентнасць — гэта паняцце, звязанае з утварэннем кавалентных сувязей, якія ўяўляюць сабой хімічныя сувязі, што ўзнікаюць, калі два атамы маюць адну пару электронаў для дасягнення стабільнасці. У цэлым, атамы імкнуцца дасягнуць стабільнай электроннай канфігурацыі, падобнай да высакародных газаў (правіла актэта), дзе на вонкавай абалонцы знаходзіцца 8 электронаў (хаця ёсць некаторыя выключэнні). Паколькі атамы неметалаў, як правіла, маюць адносна высокую электраадмоўнасць і «не лёгка» губляюць электроны, найбольш верагодны спосаб дасягнуць стабільнасці — гэта абмен электронамі, а не іх поўная аддача або атрыманне, як у іонных сувязях.
Іншымі словамі, у той час як у іонных сувязях электроны пераносяцца ад аднаго атама да іншага, у кавалентных сувязях электроны з'яўляюцца агульнымі. Агульныя электроны ўтвараюць злучальную электронную пару, якая «звязвае» два атамныя ядры разам, утвараючы адну малекулу або кавалентную сувязь.
Чаму ўзнікаюць кавалентныя сувязі?
Кавалентныя сувязі ўзнікаюць з-за імкнення дасягнуць больш нізкага, больш стабільнага энергетычнага стану. Калі два атамы набліжаюцца адзін да аднаго, іх валентныя электроны могуць быць агульнымі, ствараючы ўражанне, што кожны атам «мае» дастатковую колькасць электронаў у сваёй знешняй абалонцы. Гэта робіць сістэму больш стабільнай, чым калі атамы стаяць паасобку.
Напрыклад, атам вадароду (H) мае адзін электрон і імкнецца дасягнуць стабільнасці, як гелій (He) з двума электронамі. Два атамы вадароду могуць мець адну пару электронаў, утвараючы малекулу H₂. Кожны атам H₂ цяпер «адчуваецца», быццам у яго першай абалонцы два электроны, што дазваляе дасягнуць стабільнасці.
Тыпы кавалентных сувязей
Кавалентныя сувязі можна адрозніць па колькасці агульных электронных пар, а таксама па розніцы ў электраадмоўнасці паміж атамамі.
1. На аснове колькасці агульных электронных пар
1. Адзінарная кавалентная сувязь: адна пара электронаў сумесна.
Прыклад: H—H у H₂ або C—H у CH₄.
2. Двайная кавалентная сувязь: сумеснае выкарыстанне 2 пар электронаў.
Прыклад: O=O у O₂ або C=O ў CO₂.
3. Трайная кавалентная сувязь: сумеснае выкарыстанне 3 пар электронаў.
Прыклад: N≡N на N₂.
Чым больш электронных пар агульных, тым мацнейшая сувязь і тым карацейшая адлегласць паміж атамамі.
2. На аснове палярнасці
1. Непалярныя кавалентныя сувязі
Узнікае, калі абодва атамы маюць аднолькавую або вельмі падобную электраадмоўнасць, так што электронная пара размеркавана адносна раўнамерна.
Прыклад: H₂, O₂, N₂, Cl₂.
2. Палярныя кавалентныя сувязі
Гэта адбываецца, калі розніца ў электраадмоўнасці настолькі значная, што электронная пара мацней прыцягваецца да аднаго з атамаў. У выніку ўзнікаюць частковыя зарады (δ⁺ і δ⁻).
Прыклады: H—Cl у HCl, O—H у H₂O.
Важна адрозніваць, што палярная сувязь не заўсёды азначае, што малекула палярная; на палярнасць малекулы таксама ўплывае яе форма (геаметрыя).
Прыклады кавалентнасці ў паўсядзённых злучэннях
Вось некалькі прыкладаў, якія лёгка знайсці ў паўсядзённым жыцці:
1. Вада (H₂O)
Вада — важны прыклад злучэння з палярнымі кавалентнымі сувязямі. Атам кіслароду больш электраадмоўны, чым вадарод, таму няпоўная пара больш прыцягваецца да кіслароду. Гэта надае вадзе унікальныя ўласцівасці, такія як здольнасць раствараць многія рэчывы, высокае павярхоўнае нацяжэнне і адносна высокую тэмпературу кіпення ў параўнанні з іншымі малымі малекуламі.
У H₂O ёсць дзве палярныя сувязі O—H. Акрамя таго, «выгнутая» (не лінейная) форма малекул вады азначае, што іх дыпольныя моманты не кампенсуюць адзін аднаго, таму малекулы вады ў цэлым палярныя.
2. Вуглякіслы газ (CO₂)
CO₂ мае дзве падвойныя кавалентныя сувязі паміж C і O (O=C=O). Сувязь C=O палярная, але CO₂ лінейная, таму яго два дыпольныя моманты кампенсуюць адзін аднаго. У выніку малекула CO₂ цалкам непалярная. Гэта адна з прычын, чаму CO₂ адносна менш раствараецца ў вадзе, чым чыстыя палярныя рэчывы, хоць пры пэўных умовах ён усё яшчэ можа рэагаваць з утварэннем вугальнай кіслаты.
3. Метан (CH₄)
Метан — гэта простае арганічнае злучэнне, якое складаецца з адзінарных кавалентных сувязей паміж C і H. У цэлым, CH₄ непалярны, таму што яго форма мае тэтраэдрычную сіметрыю, а розніца электраадмоўнасці паміж C і H не занадта вялікая. Метан з'яўляецца асноўным кампанентам прыроднага газу і шырока выкарыстоўваецца ў якасці паліва.
4. Кісларод (O₂) і азот (N₂)
O₂ мае падвойную кавалентную сувязь (O=O), а N₂ — патройную кавалентную сувязь (N≡N). Патройная сувязь у N₂ вельмі моцная, што робіць азот адносна інертным (цяжка рэагуе) пры звычайных умовах. Вось чаму азот пераважае ў атмасферы Зямлі, але не лёгка рэагуе без спецыяльных умоў або дапамогі каталізатара.
5. Хларыд вадароду (HCl)
HCl — прыклад палярнай кавалентнай сувязі. Хлор (Cl) больш электраадмоўны, чым вадарод, таму яго электроны мацней прыцягваюцца да Cl, што прыводзіць да частковага зарада. Пры растварэнні ў вадзе HCl іянізуецца з утварэннем H⁺ і Cl⁻, што робіць яго вядомай як моцная кіслата. Гэта паказвае, што злучэнне можа мець кавалентную сувязь, але ў растворы ўтвараць іоны.
6. Аміяк (NH₃)
Аміяк мае кавалентную сувязь паміж N і H. Малекула NH₃ мае трыганальную пірамідальную форму і з'яўляецца палярнай. Аміяк шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці ўгнаенняў, ачыстцы і розных хімічных працэсах. Палярнасць аміяку дазваляе яму моцна ўзаемадзейнічаць з вадой.
Агульныя характарыстыкі кавалентных злучэнняў
Увогуле, кавалентныя злучэнні маюць наступныя характарыстыкі (хаця ёсць выключэнні):
1. Многія ўтвараюцца з неметалічных элементаў.
2. Звычайна маюць больш нізкія тэмпературы плаўлення і кіпення, чым іённыя злучэнні, асабліва для малых малекул.
3. Непалярныя кавалентныя злучэнні, як правіла, нерастваральныя ў вадзе, але растваральныя ў непалярных растваральніках.
4. Не праводзяць электрычнасць у цвёрдым стане; некаторыя могуць праводзіць электрычнасць, калі іх іанізаваць у растворы (напрыклад, HCl у вадзе).
5. Змяшчаецца ў многіх арганічных злучэннях, такіх як вуглевадароды, спірты, арганічныя кіслоты і бялкі.
Закрыццё
Кавалентнасць — гэта фундаментальнае паняцце, якое тлумачыць, як атамы, асабліва неметалы, утвараюць сувязі шляхам абмену электроннымі парамі. Кавалентныя сувязі могуць быць адзінарнымі, падвойнымі або патройнымі, а таксама палярнымі або непалярнымі. Прыклады вельмі знаёмыя з паўсядзённага жыцця, такія як вада (H₂O), вуглякіслы газ (CO₂), метан (CH₄), кісларод (O₂), азот (N₂) і хлорысты вадарод (HCl). Разумеючы вызначэнне кавалентнасці і прыклады, мы можам лягчэй звязаць малекулярную структуру з фізічнымі і хімічнымі ўласцівасцямі рэчыва.
Калі жадаеце, магу дадаць больш навуковую версію артыкула (з абмеркаваннем структур Льюіса, правіла актэта і малекулярнай геаметрыі) або больш простую версію для вучняў малодшых класаў сярэдняй школы.
