Связь, соединяющая два атома водорода в молекуле газообразного водорода, является классической ковалентной связью. Связь легко анализировать, потому что атомы водорода имеют только один протон и один электрон каждый. Электроны находятся в единственной электронной оболочке атома водорода, в которой есть место для двух электронов.

Поскольку атомы водорода идентичны, ни один не может отобрать электрон у другого, чтобы завершить его электронную оболочку и образовать ионную связь. В результате два атома водорода разделяют два электрона в ковалентной связи. Электроны проводят большую часть своего времени между положительно заряженными ядрами водорода, привлекая их обоих к отрицательному заряду двух электронов.

Ковалентные связи в воде

Атомы водорода в молекуле воды H2O образуют ту же ковалентную связь, что и в газообразном водороде, но с атомом кислорода. Атом кислорода имеет шесть электронов в своей внешней электронной оболочке, которая вмещает восемь электронов. Чтобы заполнить свою оболочку, атом кислорода разделяет два электрона двух атомов водорода в ковалентной связи.

В дополнение к ковалентной связи молекула воды образует дополнительные межмолекулярные связи с другими молекулами воды. Молекула воды представляет собой полярный диполь, что означает, что один конец молекулы, конец кислорода, заряжен отрицательно, а другой конец с двумя атомами водорода имеет положительный заряд. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы притягивает один из положительно заряженных атомов водорода другой молекулы, образуя диполь-дипольную водородную связь. Эта связь слабее, чем ковалентная молекулярная связь, но она удерживает молекулы воды вместе. Эти межмолекулярные силы придают воде специфические характеристики, такие как высокое поверхностное натяжение и относительно высокую температуру кипения для массы молекулы.

Углеродные и водородные ковалентные связи

Углерод имеет четыре электрона в своей внешней электронной оболочке, в которой есть место для восьми электронов. В результате в одной конфигурации углерод разделяет четыре электрона с четырьмя атомами водорода, чтобы заполнить его оболочку ковалентной связью. Полученное соединение представляет собой CH4, метан.

Хотя метан с его четырьмя ковалентными связями является стабильным соединением, углерод может вступать в другие конфигурации связей с водородом и другими атомами углерода. Четыре внешние электронные конфигурации позволяют углероду создавать молекулы, которые составляют основу многих сложных соединений. Все такие связи представляют собой ковалентные связи, но они обеспечивают большую гибкость углерода в его поведении связывания.

Ковалентные связи в углеродных цепях

Когда атомы углерода образуют ковалентные связи с менее чем четырьмя атомами водорода, дополнительные связывающие электроны остаются во внешней оболочке атома углерода. Например, два атома углерода, которые образуют ковалентные связи с тремя атомами водорода, могут каждый образовывать ковалентную связь друг с другом, разделяя их единственные оставшиеся связывающие электроны. Это соединение этан, C2H6.

Точно так же два атома углерода могут связываться с двумя атомами водорода каждый и образовывать двойную ковалентную связь друг с другом, разделяя их четыре оставшихся электрона между ними. Этим соединением является этилен C2H4. В ацетилене, C2H2, два атома углерода образуют тройную ковалентную связь и одинарную связь с каждым из двух атомов водорода. В этих случаях задействованы только два атома углерода, но два атома углерода могут легко поддерживать только одинарные связи друг с другом и использовать остальное для связи с дополнительными атомами углерода.

Пропан, C3H8, имеет цепь из трех атомов углерода с одинарными ковалентными связями между ними. Два концевых атома углерода имеют одинарную связь со средним атомом углерода и три ковалентные связи с тремя атомами водорода каждый. Средний атом углерода имеет связи с двумя другими атомами углерода и двумя атомами водорода. Такая цепь может быть намного длиннее и является основой для многих сложных органических углеродных соединений, встречающихся в природе, причем все они основаны на одной и той же ковалентной связи, которая соединяет два атома водорода.