6.2. Ковалентні молекули

Найпростішим прикладом ковалентної молекули може бути молекула водню H₂. Електронну структуру молекули записують у вигляді H : H; такий запис указує на те, що два електрони одночасно належать обом атомам, утворюючи зв'язок між ними. Ця структура відповідає структурі з валентним зв'язком H—H.

Молекула водню, як було встановлено внаслідок вивчення її спектра і розрахунків на основі теорії квантової механіки, має будову, показану на рис. 6.1. Два ядра в молекулі водню досить міцно утримуються на відстані приблизно 74 пм; за кімнатної температури амплітуда відхилення від середньої відстані між ними коливається в межах кількох пікометрів і трохи зростає за підвищених температур. Обидва електрони дуже швидко рухаються в певній ділянці, що оточує ці два ядра; середній розподіл електронів у часі показано затіненими ділянками на рис. 6.1. Легко помітити, що рух двох електронів відбувається переважно на невеликій ділянці між двома ядрами. (Ядра перебувають у місцях найбільшої електронної густини). Два електрони, утримувані разом двома ядрами, утворюють хімічний зв'язок між двома атомами Гідрогену в молекулі водню.

Рис. 6.1. Розподіл електронів у молекулі водню і двох атомах Гідрогену. Відстань між двома ядрами в цій молекулі дорівнює 74 пм.

Атоми з яскраво вираженими властивостями металів або неметалів виявляють сильну тенденцію віддавати або приєднувати один чи кілька електронів, щоб число електронів в оболонці зрівнялося з числом їх в атомі найближчого аргоноїда. Льюїс «свого часу вказував, що подібного роду тенденція спостерігається й під час утворення молекул з ковалентними зв'язками і що електрони, які створюють ковалентний зв'язок, слід вважати спільними для обох атомів, що зв'язуються.

Так, атом Гідрогену, який має один електрон, може набути структури Гелію, приєднавши ще один електрон і утворивши гідрид-аніон H:^-; такий аніон міститься в солі — літій гідриді Li⁺H^-. Але атом Гідрогену може досягти структури Гелію і в тому разі, якщо матиме свій електрон та електрон іншого атома Гідрогену, тобто в разі утворення зв'язку за рахунок поділеної пари електронів. Кожен атом при цьому віддає по електрону для утворення пари електронів. Таку поділену пару електронів можна спочатку віднести до одного атома Гідрогену, потім до другого; легко помітити, що за такого розгляду кожен атом у молекулі водню матиме структуру Гелію

Ковалентний зв'язок в інших молекулах дуже схожий на зв'язок у молекулі водню. Для кожного ковалентного зв'язку необхідна пара електронів; так само необхідні дві орбіталі, по одній від кожного атома.

Ковалентний зв'язок утворюється парою електронів, поділеною між двома атомами, причому ці електрони повинні займати дві стійкі орбіталі, по одній від кожного атома.

Так, атом Карбону, як показує діаграма енергетичних рівнів (рис. 5.6), має чотири стійкі орбіталі в L-оболонці і чотири електрони, які можуть бути використані для утворення зв'язку. Отже, атом Карбону може утворити чотири ковалентні зв'язки, сполучившись із чотирма атомами Гідрогену, кожен з яких має одну стійку орбіталь (1s-орбіталь) і один електрон.

У цій молекулі кожен атом набуває аргоноїдної структури; поділені пари електронів перебувають у спільному володінні і повинні вважатися такими, що належать кожному атому. Атом Карбону з чотирма поділеними парами електронів у L-оболонці і однією неподіленою парою в K-оболонці набуває структури Неону, а кожен атом Гідрогену — структури Гелію.

Встановлено, що атоми головних підгруп (підгруп a) періодичної таблиці (іншими словами, всі атоми, крім атомів перехідних елементів) у своїх стійких сполуках звичайно мають аргоноїдну структуру.

Стійкі молекули і складні іони звичайно мають такі структури, в яких кожен атом має структуру аргоноїда, причому поділені пари електронів кожного ковалентного зв'язку вважаються такими, що належать кожному з двох ковалентно зв'язаних атомів.

Атоми аргоноїдів, крім Гелію, мають по вісім електронів у зовнішній оболонці, які займають чотири орбіталі (одна s-орбіталь і три p-орбіталі). Ці вісім електронів називають октетом. Коли атом досягає аргоноїдної структури, незалежно від того, чи одержує він електрони від інших атомів, віддає їх або ж ділить з іншими атомами пару електронів, прийнято вважати, що атом має завершений октет.