Характеристики и свойства на неполярни ковалентни връзки: пълно ръководство с примери

Още от самото начало на изследванията върху характеристиките на материята, учените интуитивно са усетили съществуването на сила, способна да установява връзки между различните видове. „Частиците се привличат взаимно чрез сили“, казва Исак Нютон, а години по-късно, благодарение на изобретяването на известната волтова стълба, Йонс Якоб Берцелиус ще разработи теория относно процеса на химическо комбиниране.

Благодарение на напредъка в изследванията, проведени от различни учени, днес сме сигурни, че химичните елементи , подобно на човешките същества, взаимодействат помежду си и от това действие възникват нови структури, сливания, съединения и огромно разнообразие от трансформации.

Резултатът от такова взаимодействие зависи от индивидуалните характеристики на всеки атом , което ще ограничи вида на образуваната връзка, стабилността на съединението и много от неговите физични и химични свойства. За да се образува неполярна ковалентна връзка в молекулата , участващите видове трябва да са много сходни по отношение на електроотрицателност.

Условия, които определят образуването на връзки

Въпреки че може да изглежда, че тези процеси на образуване на съединения чрез свързване протичат спонтанно и във всички възможни сценарии, истината е, че свързването между атомите се случва само когато условията на околната среда за процеса са благоприятни. Фактори като температура и налягане ограничават протичането на реакцията и също така променят резултата или характеристиките на образуваното съединение.

Друг важен аспект е концентрацията на веществата , която определя количеството и вида на компонента, който ще се получи в резултат на процеса на комбиниране. В много реакции дори малка промяна в съотношението на реагентите може да доведе до образуването на различни продукти или изобщо да попречи на протичането на реакцията.

Индивидуалните характеристики на частиците , особено тяхната електроотрицателност, атомен радиус и електронна конфигурация, определят количеството и видовете, които се комбинират; те също така определят вида на връзката , която ще се образува. Трябва да помним, че според скалата, предложена от Линус Полинг, видът на образуваната връзка зависи от разликата в електроотрицателността между видовете.

Йонийски: Разлика в електроотрицателността, по-голяма или равна на 1,7Това показва, че този тип връзка е характерен за видове с много различна електроотрицателност, така че по-електроотрицателният атом Силно привлича валентни електрони, генериращи положителни и отрицателни йони, които се държат заедно от електростатични сили.
Полярен ковалентен: Разлика между 1,7 и 0,5 приблизително. Обикновено се образува между елементи от висока електроотрицателност (главно неметали) и се случва така, че образуваното съединение е резултат от неравномерно отделение на електроните. Един от атомите привлича електронния облак малко повече, създавайки връзка с определен полярност.
Неполярен ковалентен: Това се случва, когато регистрираната разлика е по-малко или равно на 0,4 – 0,5 (въпреки че в много случаи е практически равно на нула). В тази ситуация електроните се споделят по много по-балансиран начин.

Тези критерии за разлика в електроотрицателността ни позволяват да предвидим полярността на връзките . По-специално, стойности между 0 и приблизително 0,4 съответстват на неполярни ковалентни връзки , при които електронният облак е разпределен почти равномерно между двата свързани атома.

Какво представлява неполярна ковалентна връзка?

Химическата връзка е силата, която свързва два атома. Тези взаимодействия между тях им придават по-голяма енергийна стабилност. Чрез свързването на няколко атома чрез връзки се образуват молекули или кристални решетки, които са в основата на цялата позната материя.

От структурна гледна точка, атомът се състои от ядро (протони и неутрони) и облак от електрони, движещи се около него. Тези електрони, особено тези във валентната обвивка , са тези, които участват във връзките. Изолираният атом обикновено не е много стабилен, така че е склонен да взаимодейства с други атоми, за да постигне по-стабилни електронни конфигурации, често подобни на тези на благородните газове.

Както е добре известно, ядрото на атомите е положително заредено, така че естествената тенденция на два химични вида би била да се отблъскват взаимно. Обаче, именно облакът от електрони, обикалящи около ядрото, прави възможно образуването на химични връзки, тъй като тези електрони могат да се споделят или прехвърлят между различни атоми.

За да се образува връзка, присъстващите химични вещества трябва да отговарят на общо условие: едното трябва да няма електрони в най-външната си обвивка, а другото трябва да има налични електрони за споделяне . Това привличане между положителните ядра и споделения електронен облак позволява силата на отблъскване между ядрата да бъде балансирана от електрон-ядреното привличане, като по този начин системата се стабилизира.

Неполярната ковалентна връзка , наричана още чиста или аполярна ковалентна връзка, е съединението на два атома, които споделят една или повече електронни двойки почти по равно . Тоест, електроните, образуващи връзката, прекарват приблизително същото време близо до единия атом като другия, без значително разделяне на заряда.

Този тип връзка възниква между два еднакви атома (на един и същи елемент) или между два различни атома с много сходни електроотрицателности . По отношение на разликата в електроотрицателността, ковалентната връзка се счита за неполярна, когато тази разлика е между 0 и 0,4–0,5 . Под тези стойности разпределението на електронния облак е достатъчно симетрично, че няма ясно дефинирани полюси.

Молекулите, получени от този тип връзка, нямат общ заряд и често са симетрични по структура, което допринася за нулев общ диполен момент. Това не е най-разпространеният тип връзка във всички съединения, но е фундаментална, например, в двуатомните молекули на много газове и в голям брой органични съединения.

Видове неполярни ковалентни връзки според споделените електрони

В неполярната ковалентна връзка атомите могат да споделят една, две или три електронни двойки. В зависимост от това колко двойки са споделени, се разграничават няколко вида:

Проста връзка: споделя се един чифт на електроните между двата атома. Това е случаят с H-H връзката във водородната молекула (H2).
Двойна връзка: се споделят два чифта на електрони. Пример за това е връзката C=C в молекулата на етилена (C2H4), където споделените електрони са разпределени почти хомогенно между двата въглерода.
Тройна връзка: се споделят три чифта на електрони. Типичен пример е връзката N≡N в азотната молекула (N2), която въпреки голямата си сила, остава неполярна ковалентна връзка поради равенството на електроотрицателностите.

Във всички тези случаи определящият фактор е не само броят на споделените двойки, но и равенството или сходството в електроотрицателността на участващите атоми, което е и причината за липсата на маркирани полюси.

Примери за неполярни ковалентни връзки

Има многобройни примери за неполярни ковалентни връзки, както в молекули, образувани от идентични атоми, така и в такива, образувани от различни атоми с подобна електроотрицателност. Някои от най-представителните случаи са следните:

Връзки между идентични атоми: когато се образува връзка между два атома на същият елементРазликата в електроотрицателността е точно нула. Електронният облак се разпределя по равно между двете. Класически примери са водород (H₂) и водород (H₂).2), азот (N2), кислород (O2), флуор (F2), бром (Br2) и други двуатомни молекули на неметални елементи.
Молекула на водорода (H2): Два водородни атома споделят единичния си валентен електрон, за да образуват единична ковалентна връзка. Тъй като и двата атома са идентични, разликата в електроотрицателността е нула, така че връзката е очевидно неполярен.
Молекула на флуор (F2Въпреки че флуорът е най-електроотрицателният елемент в периодичната таблица, когато един флуорен атом се свързва с друг, никой от тях не може да привлече електронния облак по-силно от другия. Електроотрицателността е еднаква, а връзката е неполярна ковалентна.
Молекула на озон (O3В тази молекула централният кислороден атом е свързан с два други кислородни атома чрез ковалентни връзки. OO-връзките са, поотделно, неполярен ковалентен защото се срещат между атоми с еднаква електроотрицателност, въпреки че цялата молекула има по-сложна структура и определени резонансни ефекти.
Азотна молекула (N2): всеки азотен атом споделя своите три несдвоени валентни електрона с другия, образувайки тройна връзкаРазликата в електроотрицателността е нула, така че връзката N≡N е неполярна ковалентна и изключително силна.
CH връзки в метан (CH4Метанът е интересен случай, тъй като неговите C-H връзки се срещат между атоми на различни елементи. Разликата в електроотрицателността между въглерода и водорода е близка до 0,4Тази стойност се намира на границата между неполярна и леко полярна връзка. В много контексти тя се счита за пример за неполярна ковалентна връзка или поне за такава с много ниска полярност. Освен това, тетраедрична геометрия Свойствата на метана водят до това, че въпреки че всяка връзка може да има лека полярност, диполните моменти се неутрализират взаимно и цялата молекула е неполярна.
Молекула на етилен (C2H4): етиленът има четири CH връзки и една C=C двойна връзкаКакто CH връзките (с много ниска полярност), така и C=C връзката са неполярни ковалентни връзки по отношение на разпределението на заряда. Цялостната молекула проявява симетрия, която подсилва нейния неполярни характер.
Въглероден сулфид (CS2): това съединение съдържа въглероден атом, линейно свързан с два серни атома чрез двойни връзки C=S. Разликата в електроотрицателността между въглерод и сяра не е много голяма, така че връзките имат слабо полярен характер. Освен това, линейната геометрия кара всички потенциални диполни моменти да се неутрализират взаимно, което води до като цяло неполярна молекула.

Във всички тези примери или електроотрицателностите са равни, или разликата е под 0,4 – 0,5 , което гарантира почти равномерно разпределение на споделения електронен облак.

Характеристики на съединения с неполярни ковалентни връзки

Съединенията, образувани предимно от неполярни ковалентни връзки, проявяват набор от характеристики, които ги отличават от йонните съединения или тези със силно полярни ковалентни връзки. Сред най-важните им характеристики са следните:

Те имат ниски точки на топене и кипене в сравнение с йонни или метални съединения. Много вещества от този тип са в газообразно или течно състояние при стайна температура, като например водород (H₂).2), азот (N2) или бром (Br2).
Те не провеждат добре топлинатазащото им липсват свободни електрони или мобилни йони, които могат ефективно да пренасят топлинна енергия през структурата.
Негов неразтворим във вода при различни температури или проявяват много ниска разтворимост. Като общо правило, съединенията неполярен Те са склонни да се разтварят по-добре в неполярни разтворители (като някои въглеводороди), докато водата е силно полярен разтворител.
Негов лоши проводници на електричествоТъй като молекулите му са електрически неутрални и не се дисоциират на йони при разтваряне, а и няма мобилни носители на заряд, електрическият ток не се предава лесно.
Молекулите обикновено са симетричен спрямо референтна равнина или ос, което допринася за това векторната сума на възможните диполни моменти на връзката да е нула. Тази симетрия е ключова за това съединението да се държи като неполярно вещество като цяло.
Присъства относително ниски енергии на свързване В сравнение с някои йонни връзки или обширни ковалентни мрежи (като диамантените), това означава, че като цяло е необходима по-малко енергия за разкъсване на отделна неполярна ковалентна връзка, отколкото за разкъсване на силна йонна връзка.
Те могат да образуват твърди вещества, течности или газове при стайна температура, в зависимост от силата на междумолекулните сили (сили на дисперсията на Лондон, индуциран дипол и др.) и размера на молекулите. Например, азот (N2) е газ, бром (Br2) е течност и органични съединения като нафталин (C10H8) са молекулярни твърди вещества.

Взети заедно, тези свойства обясняват защо много съединения с неполярни ковалентни връзки се използват като органични разтворители , горива или изолационни материали, както електрически, така и термични.

Процедура за идентифициране на типа връзка в молекулата

Ако желаете да определите по-точно дали типът връзка в молекулата е неполярна ковалентна , можете да следвате проста процедура, базирана на електроотрицателността на елементите:

Първо, определете кои елементи изграждат молекулата и тяхната природа: дали са металиТе обикновено са разположени от лявата страна и в центъра на периодичната таблица; ако са без метали, се намират от дясната страна (включително водород в много схеми за изследване).
Преди да направите изчислението, вече можете да имате такова понятието за резултатаПо дефиниция, ако сте в присъствието на два неметални елемента, ще се образува съединение. ковалентна връзкаВъпросът ще остане дали ще бъде полярно или неполярно.
Намерете електроотрицателности за всеки елемент от периодичната таблица (обикновено използвайки стойности по скалата на Полинг). Запишете стойността, съответстваща на всеки атом, който участва във връзката.
Направи просто изваждане между стойностите на електроотрицателността (обикновено, по-високата стойност минус по-ниската стойност). Резултатът ще ви даде разлика в електроотрицателността между двата атома.
Сравнете получената стойност с референтните интервали: ако разликата е по-голямо или равно на 1,7, връзката ще бъде предимно йонна; ако е между 0,5 и 1,7, се счита полярен ковалентенИ ако е така по-малко или равно на 0,4 – 0,5, Става въпрос за a неполярна ковалентна връзка или с много ниска полярност.

В допълнение към този количествен анализ е важно да се вземе предвид геометрията на молекулата . Молекулата може да съдържа няколко полярни връзки и въпреки това да бъде глобално неполярна , ако пространственото разположение на връзките кара диполните моменти да се неутрализират взаимно. Типичен пример е въглеродният диоксид (CO₂ ) , в който C=O връзките са полярни, но линейната геометрия прави общия диполен момент нулев.

Разбирането на полярността на връзките и молекулярната полярност е ключово в химията за предсказване на свойства като разтворимост, точки на топене и кипене, реактивност и поведение на веществата в различни среди.

Детайлното изучаване на неполярните ковалентни връзки ни позволява да разберем защо толкова много ежедневни вещества (атмосферни газове, горива, пластмаси и други органични молекули) проявяват физическо поведение, много различно от това на йонните соли или метали, въпреки че са съставени от няколко вида атоми, които се комбинират по различни начини.