Кіріспе
Электрон жұптарын бөлісу арқылы химиялық байланыс. Ковалентті байланыс – атомдар арасында электрон жұптарын құру үшін электрондарды бөлісуді қамтитын химиялық байланыс. Бұл электрон жұптары ортақ жұптар немесе байланысу жұптары деп аталады. Атомдар электрондарды бөліскен кезде, олар арасындағы тартымды және тебу күштерінің тұрақты тепе-теңдігі ковалентті байланыс деп аталады. Көптеген молекулалар үшін электрондарды бөлісу әр атомға толық валентті қабыққа ие болуға мүмкіндік береді, бұл тұрақты электрондық конфигурацияға сәйкес келеді. Органикалық химияда ковалентті байланыстар иондық байланыстарға қарағанда көбірек кездеседі. Ковалентті байланысқа σ байланысы, π байланысы, металл-металл байланысы, агостикалық өзара әрекеттесулер, иілген байланыстар, үш орталық екі электронды байланыстар және үш орталық төрт электронды байланыстар сияқты әртүрлі өзара әрекеттесулер кіреді. Ковалентті байланыс термині 1939 жылы пайда болды. "Co" префиксі бірлесіп, бірлескен әрекетте, аздап серіктестікпен және т.б. мағына береді; осылайша, "ковалентті байланыс" атомдар "валенттілік" бөліседі дегенді білдіреді, мысалы, валенттік байланыс теориясында талқыланғандай. Молекулада сутек атомдары ковалентті байланыс арқылы екі электронды бөліседі. Коваленттілік ұқсас электронегативтілікке ие атомдар арасында ең жоғары болады. Демек, ковалентті байланысқа екі атомның бірдей элементтерден болуы міндетті емес, олардың электронегативтіліктері салыстырмалы болуы жеткілікті. Екі атомнан артық электрондарды бөлісуді қамтитын ковалентті байланыстар делокализацияланған деп есептеледі.
A covalent bond is a chemical bond that involves the sharing of electrons to form electron pairs between atoms. These electron pairs are known as shared pairs or bonding pairs. The stable balance of attractive and repulsive forces between atoms, when they share electrons, is known as covalent bonding. For many molecules, the sharing of electrons allows each atom to attain the equivalent of a full valence shell, corresponding to a stable electronic configuration. In organic chemistry, covalent bonding is much more common than ionic bonding. Covalent bonding also includes many kinds of interactions, including σ bonding, π bonding, metal to metal bonding, agostic interactions, bent bonds, three center two electron bonds and three center four electron bonds. The term covalent bond dates from 1939. The prefix co means jointly, associated in action, partnered to a lesser degree, etc. ; thus a "co valent bond", in essence, means that the atoms share "valence", such as is discussed in valence bond theory. In the molecule , the hydrogen atoms share the two electrons via covalent bonding. Covalency is greatest between atoms of similar electronegativities. Thus, covalent bonding does not necessarily require that the two atoms be of the same elements, only that they be of comparable electronegativity. Covalent bonding that entails the sharing of electrons over more than two atoms is said to be delocalized.
Тарих
Коваленттілік терминін 1919 жылы Ирвинг Лангмюр «Америкалық химиялық қоғам журналының» «Атомдар мен молекулалардағы электрондардың орналасуы» мақаласында алғаш рет қолданды. Лангмюр «коваленттілік терминімен атомның көршілерімен бөлісетін электрон жұптарының санын белгілейміз» деп жазды. Ковалентті байланыс идеясы 1919 жылға дейін бірнеше жыл бұрын Гилберт Н. Льюиске дейін, 1916 жылы атомдар арасындағы электрон жұптарын бөлісуді сипаттаған (және 1926 жылы ол сәулелену энергиясының ең кіші бірлігі үшін «фотон» терминін енгізді). Ол Льюис белгісін немесе электрондық нүкте белгісін немесе Льюис нүктелік құрылымын енгізді, онда валентті электрондар (сыртқы қабықтағылар) атомдық символдардың айналасындағы нүктелер ретінде бейнеленеді. Атомдар арасында орналасқан электрондар жұптары ковалентті байланыстарды білдіреді. Бірнеше жұптар бірнеше байланысты білдіреді, мысалы, қос байланыс және үштік байланыс. Мұнда көрсетілмеген бейнелеудің баламалы түрі – электронды жұптарды құрайтын байланыс, олар қатты сызықтар ретінде бейнеленеді. Льюис атом толық (немесе жабық) сыртқы электрон қабығын қалыптастыру үшін жеткілікті ковалентті байланыстар түзеді деп ұсынды. Метанның диаграммасында көміртек атомының валенттілігі төрт, сондықтан оның айналасында сегіз электрон (октет ережесі) бар, олардың төртеуі көміртектің өзінен, ал төртеуі оған қосылған сутектен. Әрбір сутегінің валенттілігі бір және оның айналасында екі электрон (дуэт ережесі) бар – оның өзінің бір электроны және көміртектен біреуі. Электрондардың саны атомның кванттық теориясындағы толық қабықтарға сәйкес келеді; көміртек атомының сыртқы қабығы n = 2 қабығы болып табылады, ол сегіз электрондарды ұстай алады, ал сутек атомының сыртқы (және жалғыз) қабығы n = 1 қабығы болып табылады, ол тек екеуін ұстай алады. Электрон жұптарын бөлісу идеясы ковалентті байланыстың тиімді сапалық суретін береді, ал кванттық механика осы байланыстардың табиғатын түсіну және қарапайым молекулалардың құрылымы мен қасиеттерін болжау үшін қажет. Вальтер Гейтлер мен Фриц Лондон 1927 жылы химиялық байланыстың (молекулалық сутек) кванттық механикалық тұрғыдан алғашқы сәтті түсіндірмесін жасаған деп есептеледі. Олардың жұмысы валенттілік байланыс моделіне негізделген, ол химиялық байланыс қатысатын атомдардың атомдық орбиталдары арасында жақсы жабысу болған кезде пайда болады деп болжайды.
Ковалентті байланыстардың түрлері
Атомдық орбитальдар (s орбитальдардан басқа) нақты бағыттық қасиеттерге ие, бұл ковалентті байланыстардың әртүрлі түрлеріне алып келеді. Сигма (σ) байланыстары – ең берік ковалентті байланыстар және екі әртүрлі атомның орбитальдары тікелей жабысуы нәтижесінде пайда болады. Әдетте, бір байланыс – σ байланысы болып табылады. Пи (π) байланыстары нашар және p (немесе d) орбитальдарының бүйірлік жабысуынан туындайды. Екі атом арасындағы қос байланыс бір σ және бір π байланысынан, ал үштік байланыс – бір σ және екі π байланысынан тұрады.
Бір және үш электронды байланыстар
Радикалды түрлерде бір немесе үш электронды байланыстар кездеседі, олардың электрондарының саны тақ. 1 электронды байланыстың ең қарапайым мысалы H2+ дигидроген катионында кездеседі. Бір электронды байланыстар көбінесе 2 электронды байланыстың жартысына жуық энергияға ие, сондықтан оларды "жартылай байланыстар" деп атайды. Дегенмен, ерекшеліктер бар: дилитий жағдайында 1 электронды Li2+ байланысы 2 электронды Li2 байланысынан күштірек. Бұл ерекшелікті гибридтену және ішкі қабық эффектілері арқылы түсіндіруге болады. Үш электронды байланыстың ең қарапайым мысалын гелий димер катионында, He2+ табуға болады. Ол "жартылай байланыс" деп есептеледі, себебі ол тек бір ортақ электроннан тұрады (екі емес); молекулалық орбитальдық тұрғысынан алғанда, үшінші электрон байланысқа қарсы орбитальда орналасқан, ол қалған екі электроннан құралған байланыстың жартысын бейтараптандырады. Екі 2 электронды байланысқа қоса 3 электронды байланысы бар молекуланың тағы бір мысалы – азот оксиді, NO. О2 молекуласын да екі 3 электронды байланысы мен бір 2 электронды байланысы бар деп қарастыруға болады, бұл оның парамагнетизмін және формальды байланыс ретін 2 анықтайды. Хлор диоксиді және оның ауыр аналогтары бром диоксиді мен йод диоксиді де үш электронды байланыстарды қамтиды. Жұп емес электронды байланысы бар молекулалар әдетте жоғары реакциялық қабілетке ие. Мұндай байланыстар тек ұқсас электронегативтілікке ие атомдар арасында ғана тұрақты болады.
Электрондық жетіспеушілік
Үш орталықта екі электронды байланыстар ("3c–2e") үш атом байланыста екі электронды бөліседі. Мұндай байланыс борон гидридтерінде, мысалы диборанда (B2H6) кездеседі, олар көбінесе электрон тапшылығын көрсетеді, себебі барлық атомдарды байланыстыратын локалданған (2 орталық 2 электронды) байланыстарды құруға жеткілікті валентті электрондар жетіспейді. Дегенмен, 3c–2e байланыстарын қолданатын заманауи сипаттама барлық атомдарды байланыстыруға жеткілікті байланыс орбиталдарын ұсынады, сондықтан молекулаларды электрондық тұрғыдан нақты деп жіктеуге болады. Әрбір мұндай байланыста (диборан молекуласында 2) борон атомдарын банан тәрізді байланыстыратын электрон жұбы болады, ал байланыстың ортасында протон (сутек атомының ядросы) орналасып, екі борон атомымен электрондарды бөліседі. Кейбір кластерлік қосылыстарда төрт орталық екі электронды байланыстар да бар екені болжамдалған.
Кванттық механикалық сипаттама
Кванттық механика дамығаннан кейін, химиялық байланыстың кванттық сипаттамасын беру үшін екі негізгі теория ұсынылды: валенттік байланыс (ВБ) теориясы және молекулалық орбиталь (МО) теориясы. Жақындағы кванттық сипаттама электрондық күй тығыздығына атомдардың үлесі тұрғысынан берілген.
Ядролық жүйелерде ұқсас әсер
Ковалентті байланысқа ұқсас әсер кейбір ядролық жүйелерде пайда болады деп саналады, айырмашылығы ортақ фермиондар электрондар емес, кварктар болып табылады. Жоғары энергиялы протон-протон шашырауының қимасы u немесе d кварктерінің алмасуы қысқа қашықтықтағы ядролық күштің басым процесі екенін көрсетеді. Атап айтқанда, бұл мезон алмасу арқылы болатын Юкава өзара әрекеттесуінен басым. Сондықтан, кварк алмасу арқылы ковалентті байланыс, байланған адрондарда ортақ ковалентті кварктар болған жағдайда, аз қашықтықтағы ядролық байланыстың басым механизмі болады деп күтілуде.