Неліктен атомдар бір-бірімен қосылып молекула түзе алады? Мүлдем басқа химиялық элементтердің атомдары кіретін заттардың мүмкін болуының себебі неде? Бұл қазіргі физика-химия ғылымының іргелі тұжырымдамаларына әсер ететін жаһандық мәселелер. Атомдардың электрондық құрылымы туралы түсінікке ие бола отырып және қосылыстардың көптеген кластары үшін негізгі негіз болып табылатын коваленттік байланыстың сипаттамаларын біле отырып, оларға жауап беруге болады. Біздің мақаламыздың мақсаты – химиялық байланыстың әртүрлі түрлерінің түзілу механизмдерімен және олардың молекулаларында құрамындағы қосылыстардың қасиеттерінің ерекшеліктерімен танысу.
Атомның электрондық құрылымы
Оның құрылымдық элементтері болып табылатын заттың электронды бейтарап бөлшектері күн жүйесінің құрылымын айнадай етіп көрсететін құрылымға ие. Планеталардың орталық жұлдыз – Күнді айналуы сияқты, атомдағы электрондар да оң зарядталған ядроны айнала қозғалады. СипаттауКоваленттік байланыста соңғы энергетикалық деңгейде және ядродан ең алыс орналасқан электрондар маңызды болады. Олардың өз атомының центрімен байланысы минималды болғандықтан, олар басқа атомдардың ядроларымен оңай тартылады. Бұл молекулалардың пайда болуына әкелетін атомаралық әрекеттесулердің пайда болуы үшін өте маңызды. Неліктен молекулалық пішін біздің планетамыздағы материяның өмір сүруінің негізгі түрі болып табылады? Білейік.
Атомдардың негізгі қасиеті
Электрлік бейтарап бөлшектердің энергияның жоғарылауына әкелетін өзара әрекеттесу қабілеті олардың ең маңызды ерекшелігі болып табылады. Шынында да, қалыпты жағдайда заттың молекулалық күйі атомдық күйге қарағанда тұрақтырақ болады. Қазіргі атомдық және молекулалық теорияның негізгі ережелері молекулалардың пайда болу принциптерін де, коваленттік байланыстың сипаттамаларын да түсіндіреді. Еске салайық, атомның сыртқы энергетикалық деңгейінде 1-ден 8 электронға дейін болуы мүмкін, соңғы жағдайда қабат толық болады, яғни ол өте тұрақты болады. Асыл газдардың атомдары осындай сыртқы деңгей құрылымына ие: аргон, криптон, ксенон – Д. И. Менделеев жүйесіндегі әрбір периодты аяқтайтын инертті элементтер. Мұнда ерекшелік - соңғы деңгейде 8 емес, тек 2 электроны бар гелий. Себебі қарапайым: бірінші периодта атомдары бір электронды қабаты бар екі ғана элемент бар. Барлық басқа химиялық элементтерде соңғы, толық емес қабатта 1-ден 7-ге дейін электрон бар. Бір-бірімен әрекеттесу процесінде атомдар боладыоктетке дейін электрондармен толтыруға ұмтылу және инертті элемент атомының конфигурациясын қалпына келтіру. Мұндай күйге екі жолмен жетуге болады: өздікін жоғалту немесе бөгде теріс зарядты бөлшектерді қабылдау. Бұл әрекеттесу формалары әрекеттесуші атомдар арасында иондық немесе коваленттік байланыстың түзілетінін анықтау жолын түсіндіреді.
Тұрақты электрондық конфигурацияны қалыптастыру механизмдері
Қосылыс реакциясына екі қарапайым зат кіреді деп елестетейік: металл натрий және газ тәрізді хлор. Тұздар класының заты түзіледі - натрий хлориді. Оның химиялық байланыстың иондық түрі бар. Неліктен және қалай пайда болды? Бастапқы заттардың атомдарының құрылымына тағы да тоқталайық. Натрийдің соңғы қабатында атомның үлкен радиусына байланысты ядромен әлсіз байланысқан бір ғана электрон бар. Натрийді қамтитын барлық сілтілік металдардың иондану энергиясы төмен. Демек, сыртқы деңгейдің электроны энергетикалық деңгейден шығып, хлор атомының ядросымен тартылып, оның кеңістігінде қалады. Бұл Cl атомының теріс зарядты ион түріне өтуінің прецедентін жасайды. Енді біз электрлік бейтарап бөлшектермен емес, зарядталған натрий катиондарымен және хлор аниондарымен айналысамыз. Физика заңдарына сәйкес олардың арасында электростатикалық тартылыс күштері пайда болып, қосылыс иондық кристалдық тор түзеді. Біз қарастырған химиялық байланыстың иондық түрінің түзілу механизмі коваленттік байланыстың ерекшеліктері мен негізгі сипаттамаларын нақтырақ түсіндіруге көмектеседі.
Ортақ электрондық жұптар
Егер иондық байланыс электртерістігі бойынша өте әр түрлі элементтер атомдары, яғни металдар мен бейметалдар арасында пайда болса, коваленттік тип бірдей немесе әртүрлі бейметалл элементтердің атомдары әрекеттескенде пайда болады. Бірінші жағдайда полярлы емес туралы, ал екіншісінде коваленттік байланыстың полярлық түрі туралы айту әдеттегідей. Олардың пайда болу механизмі ортақ: атомдардың әрқайсысы жұппен біріктірілген жалпы пайдалану үшін ішінара электрондар береді. Бірақ атомдар ядроларына қатысты электрон жұптарының кеңістікте орналасуы әртүрлі болады. Осы негізде коваленттік байланыстың түрлері ажыратылады – полюссіз және полярлы. Көбінесе металл емес элементтердің атомдарынан тұратын химиялық қосылыстарда спиндері қарама-қарсы электрондардан тұратын жұптар болады, яғни олардың ядроларының айналасында қарама-қарсы бағытта айналады. Кеңістікте теріс зарядталған бөлшектердің қозғалысы электронды бұлттардың пайда болуына әкеліп соғатындықтан, бұл олардың өзара қабаттасуымен аяқталады. Бұл процестің атомдар үшін салдары қандай және ол неге әкеледі?
Ковалентті байланыстың физикалық қасиеттері
Әсерлесетін екі атом центрлерінің арасында тығыздығы жоғары екі электронды бұлт бар екені анықталды. Теріс зарядталған бұлттың өзі мен атом ядролары арасындағы электростатикалық тартылыс күштері артады. Энергияның бір бөлігі бөлініп, атом орталықтары арасындағы қашықтық азаяды. Мысалы, H2 молекуласының түзілу басында сутегі атомдарының ядролары арасындағы қашықтық1,06 А құрайды, бұлттардың қабаттасуы және ортақ электронды жұптың пайда болуы – 0,74 А. Жоғарыда аталған механизм бойынша түзілетін коваленттік байланыстың мысалдарын жай және күрделі бейорганикалық заттардан табуға болады. Оның басты ерекшелігі – ортақ электронды жұптардың болуы. Нәтижесінде атомдар арасында коваленттік байланыс пайда болғаннан кейін, мысалы, сутегі, олардың әрқайсысы инертті гелийдің электрондық конфигурациясын алады және алынған молекула тұрақты құрылымға ие болады.
Молекуланың кеңістіктік пішіні
Ковалентті байланыстың тағы бір маңызды физикалық қасиеті – бағыттылық. Ол зат молекуласының кеңістіктік конфигурациясына байланысты. Мысалы, екі электрон сфералық бұлтпен қабаттасқанда, молекуланың сыртқы түрі сызықты болады (хлорсутек немесе бромсутек). s- және p-бұлттар будандасатын су молекулаларының пішіні бұрыштық және газ тәрізді азоттың өте күшті бөлшектері пирамидаға ұқсайды.
Қарапайым заттардың құрылымы - бейметалдар
Қандай байланыстың коваленттік деп аталатынын, оның қандай белгілері бар екенін біліп, енді оның сорттарымен айналысатын кез келді. Бір бейметалдың атомдары – хлор, азот, оттегі, бром және т.б. бір-бірімен әрекеттессе, онда сәйкес қарапайым заттар түзіледі. Олардың ортақ электронды жұптары атомдар центрлерінен бірдей қашықтықта, жылжусыз орналасады. Коваленттік байланыстың полярлы емес түрі бар қосылыстар үшін келесі ерекшеліктер тән: төмен қайнау температурасы жәнебалқу, суда ерімейтіндігі, диэлектрлік қасиеттері. Әрі қарай, қандай заттар коваленттік байланыспен сипатталатынын, онда ортақ электрон жұптарының ығысуы болатынын анықтаймыз.
Электротерістілік және оның химиялық байланыс түріне әсері
Белгілі бір элементтің басқа элемент атомынан электрондарды тарту қасиеті химияда электртерістілік деп аталады. Бұл параметр үшін Л. Полинг ұсынған мәндер шкаласын бейорганикалық және жалпы химия бойынша барлық оқулықтардан табуға болады. Оның ең жоғары мәні - 4,1 эВ - фтор, кішісінде - басқа белсенді бейметалдар, ал ең төменгі көрсеткіш сілтілі металдарға тән. Егер электртерістігі бойынша ерекшеленетін элементтер бір-бірімен әрекеттессе, онда ең белсенді бір элемент атомының теріс зарядталған бөлшектерін өз ядросына еріксіз тартады. Осылайша, коваленттік байланыстың физикалық қасиеттері элементтердің жалпы пайдалану үшін электрондарды беру қабілетіне тікелей байланысты. Алынған ортақ жұптар енді ядроларға қатысты симметриялы орналаспайды, бірақ белсендірек элементке қарай ығысады.
Полярлық байланысы бар қосылыстардың ерекшеліктері
Молекулаларындағы түйіскен электрон жұптары атом ядроларына қатысты симметриялы емес заттарға галогенсутек, қышқылдар, халькогендердің сутекпен және қышқыл оксидтерімен қосылыстары жатады. Бұл сульфат және нитрат қышқылдары, күкірт пен фосфор оксидтері, күкіртсутек және т.б. Мысалы, хлорсутек молекуласында бір ортақ электрон жұбы болады,сутегі мен хлордың жұпталмаған электрондары арқылы түзілген. Ол электртеріс элемент болып табылатын Cl атомының центріне жақындайды. Су ерітінділерінде полярлық байланысы бар барлық заттар иондарға диссоциацияланып, электр тогын өткізеді. Мысалдары келтірілген полюсті коваленттік байланысы бар қосылыстардың да қарапайым металл емес заттармен салыстырғанда балқу және қайнау температуралары жоғары болады.
Химиялық байланыстарды бұзу әдістері
Органикалық химияда қаныққан көмірсутектерді галогендермен алмастыру реакциялары радикалды механизм бойынша жүреді. Жарықта және қарапайым температурада метан мен хлор қоспасы хлор молекулалары жұпталмаған электрондарды тасымалдайтын бөлшектерге бөліне бастайтындай әрекеттеседі. Басқаша айтқанда, ортақ электрон жұбының бұзылуы және өте белсенді -Cl радикалдарының түзілуі байқалады. Олар метан молекулаларына көміртегі мен сутегі атомдары арасындағы коваленттік байланысты үзетіндей әсер ете алады. Белсенді бөлшек –Н түзіліп, көміртегі атомының бос валенттілігі хлор радикалын алады, ал хлорметан реакцияның бірінші өніміне айналады. Молекулалардың бөлінуінің мұндай механизмі гомолитикалық деп аталады. Егер электрондардың ортақ жұбы толығымен атомдардың біреуінің иелігіне өтсе, онда олар сулы ерітінділерде жүретін реакцияларға тән гетеролитикалық механизм туралы айтады. Бұл жағдайда полярлы су молекулалары еріген қосылыстардың химиялық байланыстарының бұзылу жылдамдығын арттырады.
Екі және үш есесілтемелер
Органикалық заттардың және кейбір бейорганикалық қосылыстардың басым көпшілігінің молекулаларында бір емес, бірнеше ортақ электронды жұптар болады. Коваленттік байланыстың көптігі атомдар арасындағы қашықтықты азайтады және қосылыстардың тұрақтылығын арттырады. Олар әдетте химиялық төзімді деп аталады. Мысалы, азот молекуласында үш жұп электрон бар, олар құрылымдық формулада үш сызықша арқылы көрсетіледі және оның күшін анықтайды. Қарапайым азот заты химиялық инертті және сутегі, оттегі немесе металдар сияқты басқа қосылыстармен тек қыздырылғанда немесе жоғары қысымда, сондай-ақ катализаторлардың қатысуымен әрекеттесе алады.
Қос және үштік байланыстар қанықпаған диенді көмірсутектер, сондай-ақ этилен немесе ацетилен қатарындағы заттар сияқты органикалық қосылыстардың сыныптарына тән. Көптік байланыстар негізгі химиялық қасиеттерді анықтайды: олардың үзілу нүктелерінде жүретін қосу және полимерлену реакциялары.
Біз өз мақаламызда коваленттік байланыстың жалпы сипаттамасын беріп, оның негізгі түрлерін қарастырдық.
