§ 8. Ковалентная связь может образовываться разными способами

Определения и обозначения

Обменный механизм образования ковалентной связи — способ, при котором каждый из двух атомов предоставляет по одному неспаренному электрону для общей электронной пары. Слово «обменный» здесь не означает передачу целых атомов: электроны объединяются, и пара связывает оба атома. Это определение помогает проследить происхождение электронов связи.

Донорно-акцепторный механизм — способ, при котором один атом предоставляет готовую электронную пару, а другой — свободную орбиталь для её размещения. Орбиталь — область пространства, в которой с высокой вероятностью находится электрон. Механизм нужен, чтобы описывать образование связи, даже когда у одного участника нет неспаренного электрона для общей пары.

Донор электронной пары — атом или частица, предоставляющие неподелённую электронную пару для образования связи. Неподелённой называют пару, которая до образования связи принадлежит одному атому и не связывает его с другим. Роль донора важно определять по тому, откуда приходит пара.

Акцептор электронной пары — атом или частица, принимающие пару на свободную орбиталь. Свободная орбиталь позволяет разместить в ней предоставленные электроны. Различение донора и акцептора показывает, какой частице принадлежала пара и какая приняла её при образовании связи.

Как это устроено

При образовании H₂ у каждого атома водорода есть один электрон, не спаренный с другим электроном. Когда атомы сближаются, их неспаренные электроны образуют общую пару: H· + ·H → H:H. Каждый атом вносит по одному электрону, а общая пара удерживает атомы вместе. Поэтому образование молекулы водорода — пример обменного механизма.

Для донорно-акцепторного механизма одной частицы недостаточно: нужны и готовая пара, и место для неё. Донор должен иметь неподелённую пару, которую можно использовать для образования связи. У акцептора должна быть свободная орбиталь, иначе новой паре негде разместиться. Это различие позволяет понять, почему не всякая пара электронов автоматически становится связывающей.

В молекуле NH₃ у атома азота есть неподелённая электронная пара. Ион H⁺ не имеет электронов, но предоставляет свободную орбиталь, поэтому азот передаёт туда свою пару и возникает NH₄⁺: NH₃ + H⁺ → [NH₃→H]⁺. Донор — атом азота, акцептор — ион водорода. Стрелка указывает направление передачи пары, от донора к акцептору.

Стрелка описывает путь электронов в момент образования связи, а не постоянное отличие связи внутри готового иона. После образования NH₄⁺ все его связи N–H равноценны: электронная пара участвует в связи так же, как пары, образованные обменным механизмом. Следовательно, донорно-акцепторным называют способ возникновения связи, а не особый тип связи, сохраняющийся в частице.

Чтобы определить механизм по электронной формуле, сначала найдите неподелённые пары и неспаренные электроны. Если в общую пару каждый атом вносит по одному неспаренному электрону, механизм обменный. Если пара до связи принадлежит одному атому, а у второго есть свободная орбиталь, механизм донорно-акцепторный. Стрелку проводят от частицы, предоставляющей пару, к частице, которая её принимает.

Сравнение механизмов образования ковалентной связи

Пользуйтесь таблицей, начиная с вопроса об источнике двух электронов общей пары. Затем проверьте, есть ли у одной частицы неподелённая пара, а у другой — свободная орбиталь. Стрелка в формуле указывает направление предоставления пары, а не направление движения атомов.

Разбор задач

Образование молекулы H₂

Условие: покажите образование молекулы H₂ электронными формулами и укажите механизм образования связи. Важно проследить не только итоговую общую пару, но и вклад каждого участника. У атома водорода один электрон, поэтому он может предоставить один неспаренный электрон.

1. Запишите электронные формулы двух атомов: H· и ·H. Точка показывает единственный электрон каждого атома. До сближения общей пары между атомами нет.
2. Объедините неспаренные электроны в пару между символами: H· + ·H → H:H. В записи H:H двоеточие обозначает общую электронную пару. Каждый атом внёс в неё по одному электрону.
3. Сравните вклад атомов: ни один из них не предоставил пару целиком. Значит, связь возникла по обменному механизму. Никаких свободных орбиталей для принятия готовой пары в этом разборе не требуется.

Ответ: H· + ·H → H:H; связь в молекуле H₂ образована обменным механизмом. Два электрона общей пары первоначально принадлежали разным атомам водорода. Общая пара связывает их в молекулу.

Образование иона NH₄⁺

Условие: изобразите образование NH₄⁺ из NH₃ и H⁺, назовите донор и акцептор. В электронной формуле NH₃ нужно найти пару, которая до реакции принадлежит одному атому. Затем следует проверить, может ли H⁺ принять её.

1. Найдите неподелённую пару у атома азота в NH₃. Именно её атом азота может предоставить для образования новой связи. Поэтому азот выступает донором электронной пары.
2. У частицы H⁺ нет электронов, но есть свободная орбиталь. Она может принять электронную пару от азота, поэтому ион водорода является акцептором. Пара приходит целиком от донора, а не складывается из двух электронов разных частиц.
3. Покажите направление передачи пары стрелкой: NH₃ + H⁺ → [NH₃→H]⁺. Запись отражает образование новой связи между азотом и водородом. После присоединения частицы получается ион NH₄⁺.

Ответ: донор — атом азота в NH₃, акцептор — H⁺; новая связь возникает по донорно-акцепторному механизму. Стрелка направлена от азота к водороду, потому что азот предоставляет пару. В готовом ионе связи N–H равноценны.

Образование иона H₃O⁺

Условие: рассмотрите превращение H₂O + H⁺ → H₃O⁺, изобразите электронную формулу и объясните равноценность связей O–H. У атома кислорода в воде есть неподелённые пары, а H⁺ может принять одну из них. Это позволяет определить механизм по тем же признакам, что и в предыдущей задаче.

1. Найдите у кислорода в H₂O неподелённую пару. До образования иона она принадлежит атому кислорода и не связывает его с третьим атомом водорода. Кислород будет донором пары.
2. Запишите принятие пары ионом водорода: H₂O + H⁺ → [H₂O→H]⁺. Ион H⁺ принимает пару на свободную орбиталь, значит, он акцептор. Возникающая связь образована донорно-акцепторным механизмом.
3. В готовом H₃O⁺ три связи O–H равноценны. После образования новой связи исходный способ появления пары не делает её особой: все три связи принадлежат одной частице и имеют одинаковое окружение. Поэтому в формуле готового иона не выделяют одну связь как сохраняющую иной тип.

Ответ: донор — атом кислорода воды, акцептор — H⁺; ион образуется по донорно-акцепторному механизму. Формула присоединения пары: H₂O + H⁺ → [H₂O→H]⁺. В H₃O⁺ все связи O–H равноценны.

Типичные ошибки

Ошибка — считать донорно-акцепторную связь особой и после её образования. Так думают, потому что помнят стрелку, которой показывали передачу пары, и принимают обозначение механизма за признак готовой связи. Проверьте себя: стрелка описывает, как связь возникла, а в готовой частице она ковалентная и не отличается по свойствам от других ковалентных связей.

Ошибка — называть донором частицу, которая принимает пару. Путаница возникает из-за сходства слов «донор» и «акцептор» и необходимости рассматривать сразу двух участников. Проверьте направление процесса: донор предоставляет пару, акцептор принимает её на свободную орбиталь.

Ошибка — считать неподелённую пару общей ещё до образования связи. Электроны могут быть рядом в формуле, поэтому кажется, что они уже связывают два атома. Проверьте, кому принадлежит пара до взаимодействия: если одному атому — она неподелённая; если связывает два атома — общая.

Ошибка — предполагать, что при донорно-акцепторном механизме каждый участник даёт по одному электрону. Так рассуждают по аналогии с обменным механизмом. Проверьте вклад: донор предоставляет оба электрона пары, а акцептор — свободную орбиталь для неё; именно это отличает данный механизм.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать механизмы связи, нужно знать строение электронных оболочек и понимать, какие электроны относятся к внешнему уровню атома. Понятия валентных электронов, неспаренных электронов и неподелённых пар позволяют читать электронные формулы и находить участников образования связи. Различение механизмов помогает объяснять строение молекул и ионов, в том числе NH₄⁺ и H₃O⁺. Оно также пригодится при изучении реакций образования комплексных соединений, где частицы-доноры предоставляют электронные пары.

Что запомнить

• При обменном механизме каждый атом предоставляет по одному электрону.
• При донорно-акцепторном механизме донор предоставляет целую электронную пару.
• Акцептор должен иметь свободную орбиталь.
• Донором обычно служит частица с неподелённой электронной парой.
• После образования донорно-акцепторная связь является ковалентной.
• В ионе NH₄⁺ донор — атом азота, акцептор — ион H⁺.