Ինչու՞ ատոմները կարող են միավորվել միմյանց հետ և առաջացնել մոլեկուլներ: Ինչո՞վ է պայմանավորված այն նյութերի հնարավոր գոյությունը, որոնք ներառում են բոլորովին տարբեր քիմիական տարրերի ատոմներ։ Սրանք գլոբալ խնդիրներ են, որոնք ազդում են ժամանակակից ֆիզիկական և քիմիական գիտության հիմնարար հասկացությունների վրա: Դուք կարող եք պատասխանել դրանց՝ պատկերացում ունենալով ատոմների էլեկտրոնային կառուցվածքի մասին և իմանալով կովալենտային կապի բնութագրերը, որը հիմնական հիմքն է միացությունների դասերի մեծ մասի համար։ Մեր հոդվածի նպատակն է ծանոթանալ տարբեր տեսակի քիմիական կապերի առաջացման մեխանիզմներին և դրանց մոլեկուլներում պարունակող միացությունների հատկությունների առանձնահատկություններին։
Ատոմի էլեկտրոնային կառուցվածք
Նյութի էլեկտրաչեզոք մասնիկները, որոնք նրա կառուցվածքային տարրերն են, ունեն կառուցվածք, որը արտացոլում է Արեգակնային համակարգի կառուցվածքը: Քանի որ մոլորակները պտտվում են կենտրոնական աստղի՝ Արեգակի շուրջ, այնպես որ ատոմի էլեկտրոնները շարժվում են դրական լիցքավորված միջուկի շուրջ: Բնութագրելու համարԿովալենտային կապում նշանակալի կլինեն այն էլեկտրոնները, որոնք գտնվում են էներգիայի վերջին մակարդակում և միջուկից ամենահեռավորը: Քանի որ նրանց կապը սեփական ատոմի կենտրոնի հետ նվազագույն է, նրանք կարող են հեշտությամբ ձգվել այլ ատոմների միջուկներով: Սա շատ կարևոր է միջատոմային փոխազդեցությունների առաջացման համար, որոնք հանգեցնում են մոլեկուլների ձևավորմանը: Ինչու՞ է մոլեկուլային ձևը մեր մոլորակի վրա նյութի գոյության հիմնական տեսակը: Եկեք պարզենք։
Ատոմների հիմնական հատկությունը
Էլեկտրականորեն չեզոք մասնիկների փոխազդեցության ունակությունը, ինչը հանգեցնում է էներգիայի ավելացման, նրանց ամենակարևոր հատկանիշն է: Իրոք, նորմալ պայմաններում նյութի մոլեկուլային վիճակն ավելի կայուն է, քան ատոմայինը։ Ժամանակակից ատոմային և մոլեկուլային տեսության հիմնական դրույթները բացատրում են ինչպես մոլեկուլների ձևավորման սկզբունքները, այնպես էլ կովալենտային կապի բնութագրերը։ Հիշեցնենք, որ ատոմի արտաքին էներգիայի մակարդակը կարող է պարունակել 1-ից 8 էլեկտրոն, վերջին դեպքում շերտը ամբողջական կլինի, ինչը նշանակում է, որ այն շատ կայուն կլինի։ Ազնիվ գազերի ատոմներն ունեն նման արտաքին մակարդակի կառուցվածք՝ արգոն, կրիպտոն, քսենոն՝ իներտ տարրեր, որոնք ավարտում են Դ. Ի. Մենդելեևի համակարգի յուրաքանչյուր ժամանակաշրջան: Այստեղ բացառություն է կազմում հելիումը, որը վերջին մակարդակում ունի ոչ թե 8, այլ ընդամենը 2 էլեկտրոն։ Պատճառը պարզ է՝ առաջին շրջանում կա միայն երկու տարր, որոնց ատոմներն ունեն մեկ էլեկտրոնային շերտ։ Բոլոր մյուս քիմիական տարրերն ունեն 1-ից 7 էլեկտրոն վերջին, թերի շերտի վրա: Միմյանց հետ փոխազդելու գործընթացում ատոմները կանենձգտել լցվել էլեկտրոններով մինչև օկտետ և վերականգնել իներտ տարրի ատոմի կոնֆիգուրացիան: Նման վիճակի կարելի է հասնել երկու ճանապարհով՝ սեփականը կորցնելու կամ օտար բացասական լիցքավորված մասնիկների ընդունման միջոցով։ Փոխազդեցության այս ձևերը բացատրում են, թե ինչպես կարելի է որոշել՝ արձագանքող ատոմների միջև իոնական կամ կովալենտ կապ կառաջանա։
Կայուն էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիայի ձևավորման մեխանիզմներ
Պատկերացնենք, որ միացության ռեակցիայի մեջ մտնում են երկու պարզ նյութ՝ մետաղական նատրիում և գազային քլոր։ Առաջանում է աղերի դասի նյութ՝ նատրիումի քլորիդ։ Այն ունի իոնային տեսակի քիմիական կապ։ Ինչու և ինչպես է դա առաջացել: Կրկին անդրադառնանք սկզբնական նյութերի ատոմների կառուցվածքին։ Վերջին շերտի վրա նատրիումը ունի միայն մեկ էլեկտրոն, որը թույլ է կապված միջուկի հետ՝ ատոմի մեծ շառավղով։ Բոլոր ալկալիական մետաղների իոնացման էներգիան, որոնք ներառում են նատրիումը, ցածր է։ Հետևաբար, արտաքին մակարդակի էլեկտրոնը թողնում է էներգիայի մակարդակը, ձգվում է քլորի ատոմի միջուկով և մնում նրա տարածության մեջ։ Սա նախադեպ է ստեղծում Cl ատոմի անցման համար բացասական լիցքավորված իոնի տեսքով։ Այժմ մենք գործ ունենք ոչ թե էլեկտրականորեն չեզոք մասնիկների, այլ լիցքավորված նատրիումի կատիոնների և քլորի անիոնների հետ։ Ֆիզիկայի օրենքների համաձայն՝ դրանց միջև առաջանում են էլեկտրաստատիկ ձգողական ուժեր, և միացությունը ձևավորում է իոնային բյուրեղային ցանց։ Մեր կողմից դիտարկված քիմիական կապի իոնային տիպի ձևավորման մեխանիզմը կօգնի ավելի հստակորեն պարզաբանել կովալենտային կապի առանձնահատկություններն ու հիմնական բնութագրերը։
Ընդհանուր էլեկտրոնային զույգեր
Եթե իոնային կապ է առաջանում էլեկտրաբացասականությամբ շատ տարբեր տարրերի, այսինքն՝ մետաղների և ոչ մետաղների ատոմների միջև, ապա կովալենտային տեսակը հայտնվում է, երբ փոխազդում են նույն կամ տարբեր ոչ մետաղական տարրերի ատոմները: Առաջին դեպքում ընդունված է խոսել ոչ բևեռային, իսկ մյուս դեպքում՝ կովալենտային կապի բևեռային ձևի մասին։ Նրանց առաջացման մեխանիզմը տարածված է՝ ատոմներից յուրաքանչյուրը մասամբ տալիս է ընդհանուր օգտագործման էլեկտրոններ, որոնք միավորվում են զույգերով։ Բայց ատոմների միջուկների նկատմամբ էլեկտրոնային զույգերի տարածական դասավորությունը տարբեր կլինի։ Այս հիման վրա առանձնանում են կովալենտային կապերի տեսակները՝ ոչ բևեռային և բևեռային։ Ամենից հաճախ, ոչ մետաղական տարրերի ատոմներից բաղկացած քիմիական միացություններում կան զույգեր, որոնք բաղկացած են հակառակ սպիններով էլեկտրոններից, այսինքն՝ պտտվող իրենց միջուկների շուրջը հակառակ ուղղություններով: Քանի որ տարածության մեջ բացասաբար լիցքավորված մասնիկների շարժումը հանգեցնում է էլեկտրոնային ամպերի ձևավորմանը, որն ի վերջո ավարտվում է նրանց փոխադարձ համընկնմամբ։ Ի՞նչ հետևանքներ ունի այս գործընթացը ատոմների համար և ինչի՞ է դա հանգեցնում։
Կովալենտային կապի ֆիզիկական հատկություններ
Պարզվում է, որ երկու փոխազդող ատոմների կենտրոնների միջև բարձր խտությամբ երկէլեկտրոնային ամպ է։ Բացասական լիցքավորված ամպի և ատոմների միջուկների միջև ձգողականության էլեկտրաստատիկ ուժերը մեծանում են։ Ազատվում է էներգիայի մի մասը, և ատոմային կենտրոնների միջև հեռավորությունները նվազում են։ Օրինակ՝ H2 մոլեկուլի ձևավորման սկզբում ջրածնի ատոմների միջուկների միջև եղած հեռավորությունը.1,06 Ա է, ամպերի համընկնումից և ընդհանուր էլեկտրոնային զույգի ձևավորումից հետո՝ 0,74 Ա։ Վերոհիշյալ մեխանիզմի համաձայն ձևավորված կովալենտ կապի օրինակներ կարելի է գտնել ինչպես պարզ, այնպես էլ բարդ անօրգանական նյութերի մեջ։ Նրա հիմնական տարբերակիչ առանձնահատկությունը ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերի առկայությունն է։ Արդյունքում, ատոմների, օրինակ՝ ջրածնի, կովալենտային կապի առաջացումից հետո նրանցից յուրաքանչյուրը ձեռք է բերում իներտ հելիումի էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան, և ստացված մոլեկուլն ունի կայուն կառուցվածք։
Մոլեկուլի տարածական ձև
Կովալենտային կապի մեկ այլ շատ կարևոր ֆիզիկական հատկություն ուղղորդվածությունն է: Դա կախված է նյութի մոլեկուլի տարածական կոնֆիգուրացիայից: Օրինակ, երբ երկու էլեկտրոնները համընկնում են գնդաձև ամպի հետ, մոլեկուլի տեսքը գծային է (քլորաջրածին կամ ջրածնի բրոմիդ): Ջրի մոլեկուլների ձևը, որտեղ s- և p- ամպերը հիբրիդացվում են, անկյունային է, և գազային ազոտի շատ ուժեղ մասնիկները նման են բուրգի:
Պարզ նյութերի կառուցվածք՝ ոչ մետաղներ
Պարզելով, թե ինչպիսի կապ է կոչվում կովալենտ, ինչ նշաններ ունի, այժմ ժամանակն է զբաղվել դրա տեսակների հետ։ Եթե նույն ոչ մետաղի ատոմները՝ քլոր, ազոտ, թթվածին, բրոմ և այլն, փոխազդում են միմյանց հետ, ապա առաջանում են համապատասխան պարզ նյութեր։ Նրանց ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերը գտնվում են ատոմների կենտրոններից նույն հեռավորության վրա՝ առանց տեղաշարժվելու։ Ոչ բևեռային տիպի կովալենտային կապ ունեցող միացությունների համար բնորոշ են հետևյալ հատկանիշները՝ ցածր եռման կետ ևհալեցում, ջրում անլուծելիություն, դիէլեկտրական հատկություններ։ Հաջորդիվ մենք կիմանանք, թե որ նյութերին է բնորոշ կովալենտային կապը, որի դեպքում տեղի է ունենում ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերի տեղաշարժ։
Էլեկտրոնեգատիվությունը և դրա ազդեցությունը քիմիական կապի տեսակի վրա
Քիմիայի մեջ մեկ այլ տարրի ատոմից էլեկտրոններ ներգրավելու որոշակի տարրի հատկությունը կոչվում է էլեկտրաբացասականություն: Այս պարամետրի արժեքների սանդղակը, որն առաջարկել է Լ. Փոլինգը, կարելի է գտնել անօրգանական և ընդհանուր քիմիայի բոլոր դասագրքերում: Նրա ամենաբարձր արժեքը՝ 4,1 էՎ, ունի ֆտոր, փոքրը՝ այլ ակտիվ ոչ մետաղներ, իսկ ամենացածր ցուցանիշը բնորոշ է ալկալային մետաղներին։ Եթե իրենց էլեկտրաբացասականությամբ տարբեր տարրերը փոխազդում են միմյանց հետ, ապա անխուսափելիորեն մեկը, ավելի ակտիվը, ավելի պասիվ տարրի ատոմի բացասական լիցքավորված մասնիկներն իր միջուկը կգրավի։ Այսպիսով, կովալենտային կապի ֆիզիկական հատկությունները ուղղակիորեն կախված են ընդհանուր օգտագործման համար էլեկտրոններ նվիրաբերելու տարրերի կարողությունից։ Ստացված ընդհանուր զույգերն այլևս սիմետրիկ չեն գտնվում միջուկների նկատմամբ, այլ տեղափոխվում են դեպի ավելի ակտիվ տարր:
Բևեռային կապով միացությունների առանձնահատկությունները
Նյութերը, որոնց մոլեկուլներում հոդերի էլեկտրոնային զույգերը ասիմետրիկ են ատոմների միջուկների նկատմամբ, ներառում են ջրածնի հալոգենիդները, թթուները, քալկոգենների միացությունները ջրածնի և թթվային օքսիդների հետ: Սրանք սուլֆատ և նիտրատ թթուներ են, ծծմբի և ֆոսֆորի օքսիդներ, ջրածնի սուլֆիդ և այլն: Օրինակ, քլորաջրածնի մոլեկուլը պարունակում է մեկ ընդհանուր էլեկտրոնային զույգ,ձևավորվում է ջրածնի և քլորի չզույգված էլեկտրոններից։ Այն ավելի մոտ է տեղափոխվում Cl ատոմի կենտրոնին, որն ավելի էլեկտրաբացասական տարր է։ Ջրային լուծույթներում բևեռային կապ ունեցող բոլոր նյութերը տարանջատվում են իոնների և անցկացնում էլեկտրական հոսանք: Բևեռային կովալենտային կապ ունեցող միացությունները, որոնց օրինակները բերեցինք, նույնպես ունեն ավելի բարձր հալման և եռման ջերմաստիճան՝ համեմատած պարզ ոչ մետաղական նյութերի հետ։
Քիմիական կապերի խզման մեթոդներ
Օրգանական քիմիայում հագեցված ածխաջրածինների փոխարինման ռեակցիաները հալոգեններով հետևում են արմատական մեխանիզմին: Մեթանի և քլորի խառնուրդը լույսի ներքո և սովորական ջերմաստիճանում արձագանքում է այնպես, որ քլորի մոլեկուլները սկսում են բաժանվել չզույգված էլեկտրոններ կրող մասնիկների։ Այսինքն՝ նկատվում է ընդհանուր էլեկտրոնային զույգի ոչնչացում և շատ ակտիվ ռադիկալների՝ Cl-ի ձևավորում։ Նրանք կարողանում են ազդել մեթանի մոլեկուլների վրա այնպես, որ նրանք կոտրում են ածխածնի և ջրածնի ատոմների միջև կովալենտային կապը։ Ձևավորվում է ակտիվ մասնիկ – H, և ածխածնի ատոմի ազատ վալենտությունը ընդունում է քլորի ռադիկալ, և քլորոմեթանը դառնում է ռեակցիայի առաջին արտադրանքը: Մոլեկուլների պառակտման նման մեխանիզմը կոչվում է հոմոլիտիկ։ Եթե էլեկտրոնների ընդհանուր զույգն ամբողջությամբ անցնում է ատոմներից մեկի տիրապետության տակ, ապա նրանք խոսում են ջրային լուծույթներում տեղի ունեցող ռեակցիաներին բնորոշ հետերոլիտիկ մեխանիզմի մասին։ Այս դեպքում ջրի բևեռային մոլեկուլները կբարձրացնեն լուծված միացության քիմիական կապերի քայքայման արագությունը։
Կրկնակի և եռակիհղումներ
Օրգանական նյութերի ճնշող մեծամասնությունը և որոշ անօրգանական միացություններ իրենց մոլեկուլներում պարունակում են ոչ թե մեկ, այլ մի քանի ընդհանուր էլեկտրոնային զույգեր։ Կովալենտային կապի բազմակիությունը նվազեցնում է ատոմների միջև հեռավորությունը և մեծացնում միացությունների կայունությունը։ Նրանք սովորաբար կոչվում են քիմիապես դիմացկուն: Օրինակ, ազոտի մոլեկուլում կա երեք զույգ էլեկտրոն, դրանք կառուցվածքային բանաձևում նշվում են երեք գծիկներով և որոշում են դրա ուժը: Պարզ նյութը ազոտը քիմիապես իներտ է և կարող է փոխազդել այլ միացությունների հետ, ինչպիսիք են ջրածինը, թթվածինը կամ մետաղները, միայն տաքացման կամ բարձր ճնշման դեպքում, ինչպես նաև կատալիզատորների առկայության դեպքում:
Կրկնակի և եռակի կապերը բնորոշ են օրգանական միացությունների այնպիսի դասերի, ինչպիսիք են չհագեցած դիենային ածխաջրածինները, ինչպես նաև էթիլենի կամ ացետիլենային շարքի նյութերը: Բազմաթիվ կապերը որոշում են հիմնական քիմիական հատկությունները՝ ավելացման և պոլիմերացման ռեակցիաները, որոնք տեղի են ունենում դրանց ճեղքման կետերում:
Մեր հոդվածում մենք տվեցինք կովալենտային կապի ընդհանուր նկարագրությունը և ուսումնասիրեցինք դրա հիմնական տեսակները:
