Ковалентная связь

Тройная связь в N₂ имеет длину 110 пм, одинарная связь в этане 154 пм. Чем больше общих пар, тем ближе атомы.

Когда встречаются два атома неметаллов, ни один не готов полностью отдать электроны. Оба тянут сильно, поэтому вместо передачи они делят электроны. Каждый атом вносит по одному электрону в пару, которая находится между двумя ядрами, и оба ядра притягиваются к этой паре. Общая пара и есть ковалентная связь. Так скреплены почти все вещества в живых организмах, от воды до ДНК.

Считаем общие пары

Возьмём метан, CH₄. У углерода 4 внешних электрона, и ему нужно ещё 4. У каждого водорода 1, и ему нужен ещё 1. Углерод образует по одной общей паре с каждым из четырёх водородов. Теперь вокруг углерода 8 электронов, а у каждого водорода 2. У всех заполненные оболочки, и в молекуле четыре одинарные связи. Число связей, которое атом обычно образует, называют его валентностью: водород 1, кислород 2, азот 3, углерод 4. С этими четырьмя числами можно вручную построить большинство маленьких молекул.

Любую маленькую молекулу можно проверить подсчётом электронов. Сложи внешние электроны всех атомов: у воды 1 + 1 + 6 = 8. Каждая связь использует 2 из них, а всё, что осталось, образует неподелённые пары. В воде две связи O-H, они используют 4 электрона, и оставшиеся 4 электрона дают две неподелённые пары у кислорода. Тогда вокруг кислорода 8 электронов, а у каждого водорода 2. С аммиаком так же: 5 + 3 = 8 электронов, три связи N-H и одна неподелённая пара. Именно эти неподелённые пары определяют форму молекул в следующем уроке.

Двойные и тройные связи

Иногда одной общей пары мало. В молекуле кислорода, O₂, у каждого атома 6 внешних электронов и не хватает 2, поэтому два атома делят две пары: двойная связь, O=O. В азоте, N₂, каждому атому не хватает 3, и они делят три пары: тройная связь, N≡N. Модель рисует каждую общую пару отдельным стержнем, так что их можно пересчитать. Углерод умеет все три. В этане, C₂H₆, одинарная связь C-C, в этилене, C₂H₄, двойная C=C, а в ацетилене (этине), C₂H₂, тройная C≡C.

Чем больше общих пар, тем ближе и крепче удерживаются атомы. Измеренные расстояния углерод-углерод из базы NIST показывают это ясно: 153.6 пм в этане, 133.9 пм в этилене и 120.3 пм в ацетилене. Тройная связь азота, 109.8 пм, так прочна, что газообразный азот почти не реагирует, хотя составляет большую часть воздуха, которым мы дышим. Растения не могут использовать его напрямую: они полагаются на бактерии и на молнии, которые разрывают эту связь.

Молекулы, а не решётки

Ковалентные связи соединяют определённое число атомов в молекулу определённой формы. Связи внутри молекулы воды прочные, но силы между одной молекулой воды и другой гораздо слабее. Поэтому многие ковалентные вещества при комнатной температуре являются газами или жидкостями и плавятся или кипят при низких температурах: нужно только разделить молекулы, а не разрушить их. Метан кипит примерно при −161.5 °C. Некоторые ковалентные вещества, например алмаз и кварц, представляют собой гигантские сети связей без отдельных молекул, и они входят в число самых твёрдых известных материалов.