Молекула водорода
Простейшим примером ковалентной молекулы может служить молекула водорода Н2. Электронную структуру молекулы записывают в виде Н : Н; такая запись указывает на то, что два электрона одновременно принадлежат обоим атомам, образуя связь между ними. Эта структура соответствует структуре с валентной связью Н—Н.
Молекула водорода, как было установлено в результате изучения ее спектра и расчетов на основе теории квантовой механики, имеет строение, показанное на рис. 6.1. Два ядра в молекуле водорода доcтаточно прочно удерживаются на расстоянии примерно 74 пм; при комнатной температуре амплитуда отклонения от среднего расстояния между ними колеблется в пределах нескольких пикометров и немного возрастает при повышенных температурах. Оба электрона очень быстро движутся в определенной области, окружающей эти два ядра; среднее распределение электронов во времени показано затененными областями на рис. 6.1. Легко заметить, что движение двух электронов происходит преимущественно на небольшом участке между двумя ядрами. (Ядра находятся в местах наибольшей электронной плотности). Два электрона, удерживаемые вместе двумя ядрами, образуют химическую связь между двумя атомами водорода в молекуле водорода.
Рис. 6.1. Распределение электронов в молекуле водорода и двух атомах водорода. Расстояние между двумя ядрами в этой молекуле равно 74 пм.
Атомы с ярко выраженными свойствами металлов или неметаллов проявляют сильную тенденцию отдавать или присоединять один или несколько электронов с тем, чтобы число электронов в оболочке сравнялось с числом их в атоме ближайшего аргоноида. Льюис в «свое время указывал, что подобного рода тенденция наблюдается и при образовании молекул с ковалентными связями и что электроны, создающие ковалентную связь, следует считать общими для обоих связываемых атомов.
Так, атом водорода, обладающий одним электроном, может приобрести структуру гелия, присоединив еще один электрон и образовав гидрид-анион Н:-; такой анион содержится в соли — гидриде лития Li+H-. Но атом водорода может достигнуть структуры гелия и в том случае, если будет обладать своим электроном и электроном другого атома водорода, т. е. в случае образования связи за счет поделенной пары электронов. Каждый атом при этом отдает по электрону для образования пары электронов. Такую поделенную пару электронов можно сначала отнести к одному атому водорода, затем к другому; легко заметить, что при таком рассмотрении каждый атом в молекуле водорода будет иметь структуру гелия
Ковалентная связь в других молекулах
Ковалентная связь в других молекулах очень похожа на связь в молекуле водорода. Для каждой ковалентной связи необходима пара электронов; точно так же необходимы две орбитали, по одной от каждого атома.
Ковалентная связь образуется парой электронов, поделенной между двумя атомами, причем эти электроны должны занимать две устойчивые орбитали, по одной от каждого атома.
Так, атом углерода, как показывает диаграмма энергетических уровней (рис. 5.6), имеет четыре устойчивые орбитали в L-оболочке и четыре электрона, которые могут быть использованы для образования связи. Следовательно, атом углерода может образовать четыре ковалентные связи, соединившись с четырьмя атомами водорода, каждый из которых имеет одну устойчивую орбиталь (1s-орбиталь) и один электрон.
В этой молекуле каждый атом приобретает аргоноидную структуру; поделенные пары электронов находятся в совместном владении и должны считаться принадлежащими каждому атому. Атом углерода с четырьмя поделенными парами электронов в L-оболочке и одной неподеленной парой в K-оболочке приобретает структуру неона, а каждый атом водорода — структуру гелия.
Установлено, что атомы главных подгрупп (подгрупп а) периодической таблицы (иными словами, все атомы, кроме атомов переходных элементов) в своих устойчивых соединениях обычно имеют аргоноидную структуру.
Устойчивые молекулы и сложные ионы обычно имеют такие структуры, в которых каждый атом обладает структурой аргоноида, причем поделенные пары электронов каждой ковалентной связи считаются принадлежащими каждому из двух ковалентно связанных атомов.
Атомы аргоноидов, кроме гелия, имеют по восемь электронов во внешней оболочке, которые занимают четыре орбитали (одна s-орбиталь и три р-орбитали). Эти восемь электронов называют октетом. Когда атом достигает аргоноидной структуры, независимо от того, получает ли он электроны от других атомов, отдает их или же разделяет с другими атомами пару электронов, принято считать, что атом имеет завершенный октет.