Ковалентной связью называется химическая связь, образованная путем обобществления пары электронов двумя атомами. При этом снижается энергия системы. Зависимость энергии системы из двух атомов водорода с параллельными (1) и антипараллельными (2) спинами от расстояния между ядрами r выражается графически: где Е - энергия связи.

Е

            1

                               2

      r

Особенностями ковалентной химической связи является ее направленность и насыщенность. Так как атомные орбитали пространственно ориентированы, то перекрывание электронных облаков происходит по определенным направлениям, что и определяет направленность ковалентной связи. Количественно она выражается в виде валентных углов между направлениями химической связи в молекуле. Насыщаемость связана с ограничением числа электронов, находящихся на внешних оболочках, и определяет стехиометрию молекулярных химических соединений, от которой зависят формульный состав, массовые соотношения элементов, расчеты по формулам и уравнениям и т.д.

Полярность ковалентной связи. Связь, образованная одинаковыми атомами называется гомеополярной, или неполярной, так как обобществленные электроны равномерно распределены между атомами, например, в молекулах Н₂, О₂, N₂, S₈. Если же один из атомов сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается к нему и возникающая связь называется ковалентной полярной. Чем выше электроотрицательность (ЭО) атома, тем более вероятно смещение электронной пары в сторону ядра данного атома, поэтому разность ЭО (ΔЭО) атомов характеризует полярность связи. Атом, к которому смещается электронная плотность, приобретает эффективный заряд δ-, второй атом имеет эффективный заряд δ+. Вследствие этого возникает диполь, имеющий два одинаковых по величине заряда δ+ и δ-, и длину диполя 1_Д. Мерой полярности связи служит электрический момент диполя μ_св = δ·1_Д, Кл-м, где δ - эффективный заряд, 1_Д - длина диполя. В качестве внесистемной единицы для измерения μ используют Дебай D, 1 D = 3.3·10^-30 Кл-м. Электрический момент диполя является векторной величиной и направление его условно принимают от отрицательного к положительному полюсу диполя. Электрический момент диполя растет с увеличением ΔЭО атомов, например:

Ионная связь. Полярную ковалентную связь с δ=1 считают ионной. Такая связь возникает между атомами, ΔЭО которых больше 2, например, между s - элементами I группы и р -элементами VI и VII групп (LiF, К₂О, СsС1). Ионная химическая связь представляет собой электростатическое взаимодействие отрицательно и положительно заряженных ионов. Так как электрическое поле иона имеет сферический характер, то для ионной связи не характерны направленность и насыщаемость. Ионная химическая связь проявляется в твердых веществах с ионной кристаллической решеткой. Так как энергия ионизации больше энергии сродства к электрону, то полного перехода электронов не происходит даже в случае пары атомов с большой ΔЭО. Поэтому и чисто ионные связи не существуют. Можно лишь говорить о той или иной доли ионности связи.

    Донорно-акцепторная связь, а точнее, донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, согласно которому связь образуется за счет обобществления пары электронов, принадлежащих одному атому (донору) и вакантной орбитали другого атома (акцептору). Например, у атома азота имеется три неспаренных электрона, которые образуют три ковалентные связи с тремя атомами водорода, по обменному механизму; но он может образовать еще одну связь за счет неподеленной пары электронов по донорно-акцепторному механизму с образованием иона аммония: 

                                                             H                 H

                                                              ׀                   ׀

H – N ..+ H ⁺ = [ H – N – H ]⁺

                                                              ׀                   ׀

                                                             H                 H

Строение молекул

Изучением строения и физико-химические свойства молекул, комплексов, кристаллов и так далее занимается квантовая химия, используя представления современных квантовых теорий, в частности, квантовой механики, наибольшее распространение получили два квантово-механических способа приближенного расчета систем из ядер и электронов - метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

Метод валентных связей или локализованных электронных пар. Его основные положения:

1. Химическая связь между двумя атомами возникает в результате перекрывания атомных орбиталей (АО) с образованием электронных пар.