Хімічний зв’язок
Хімічний зв’язок утворюється, коли спільне розташування ядер та електронів має нижчу енергію, ніж розділені частинки. Йонний, ковалентний і металічний зв’язок — не три абсолютно ізольовані категорії, а моделі різних способів розподілу електронної густини.
Наочна модель
Інтерактивна модель
Рівноважна довжина — мінімум енергії
Під час зближення атомів посилюється притягання електронів до ядер, але водночас зростає відштовхування ядро–ядро та електрон–електрон. Стійка довжина зв’язку лежить поблизу мінімуму повної потенціальної енергії; за подальшого зближення швидко переважає відштовхування.
Недостатньо сказати, що зв’язок існує лише тому, що електрони «спільні». Важливі перекривання орбіталей, електронні енергії, відстань між ядрами та квантовий стан усієї системи. Розрив зв’язку зазвичай потребує енергії.
Ковалентний зв’язок: σ та π
За ковалентного зв’язування електронна густина зростає між ядрами. Лобове перекривання дає σ-компоненту, а бічне перекривання p-орбіталей може дати π-компоненту. Типовий подвійний зв’язок містить один σ- і один π-зв’язок.
Структури Льюїса зручні для підрахунку електронних пар, формальних зарядів і резонансу, але не є фотографією електронної густини. У делокалізованих системах, як бензен, π-електрони не належать одному фіксованому подвійному зв’язку.
Йонний і металічний зв’язок
У кристалі NaCl основний об’єкт — не окремі молекули NaCl, а протяжна ґратка Na⁺ і Cl⁻. Кулонівське притягання протилежних зарядів діє в усій структурі; енергія ґратки залежить від зарядів, відстаней і геометрії.
У металі валентні електрони делокалізовані по багатьох атомних центрах. У твердому тілі енергетичні рівні утворюють зони, що допомагає пояснити провідність, металічний блиск і здатність до пластичної деформації.
Полярність зв’язку — неперервна величина
За різної електронегативності електронна густина зміщується до більш електронегативного атома, створюючи часткові заряди δ⁺ і δ⁻. Не існує універсального значення Δχ, після якого будь-який зв’язок раптово стає «йонним».
Полярність усієї молекули залежить і від геометрії. У лінійному CO₂ два полярні зв’язки C=O дають однакові протилежні диполі й компенсуються. У зігнутій молекулі H₂O диполі O–H не компенсуються повністю.
Молекулярні орбіталі та властивості
У моделі молекулярних орбіталей атомні орбіталі утворюють зв’язувальні та розпушувальні стани. Простий порядок зв’язку дорівнює (N_зв − N_розп)/2. Більший порядок часто відповідає коротшому й міцнішому зв’язку.
Модель цінна тоді, коли пояснює властивості. Твердий NaCl погано проводить, бо йони закріплені; розплав проводить завдяки їхньому руху. Мідь проводить у твердому стані завдяки делокалізованим електронам, а алмаз твердий через тривимірну ковалентну сітку.
Вправи
H₂
Два електрони перебувають на зв’язувальній σ-орбіталі, розпушувальна порожня. Який порядок зв’язку?
Розв’язання: (2 − 0)/2 = 1.
CO₂
Чому CO₂ може бути неполярною молекулою за полярних зв’язків C=O?
Розв’язання: Лінійна геометрія дає два однакові протилежні диполі, що взаємно компенсуються.
NaCl
Чому розплав NaCl проводить струм, а твердий кристал майже ні?
Розв’язання: У кристалі йони закріплені, у розплаві заряджені йони можуть переміщуватися.