§ 4. Ковалентная химическая связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — связь между атомами, возникающая благодаря общей электронной паре. При ионной связи электроны переходят от одного атома к другому, а образовавшиеся ионы притягиваются; при ковалентной атомы объединяют электроны. Это различие помогает понять, почему многие вещества существуют в виде отдельных молекул.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами примерно поровну. Обычно так происходит, если электроотрицательности атомов одинаковы или очень близки. Это понятие нужно, чтобы отличать связи без выраженного смещения электронной плотности от полярных.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому. На нём обозначают частичный отрицательный заряд δ−, а на втором атоме — частичный положительный заряд δ+. Знаки помогают показать направление смещения, но не означают, что атомы превратились в ионы.

Донорно-акцепторный механизм — способ образования ковалентной связи, при котором оба электрона общей пары предоставляет один атом. Его называют донором, а атом, принимающий пару, — акцептором. Термин объясняет происхождение электронов, но не выделяет особый вид связи: образовавшаяся пара остаётся общей.

Как это устроено

Когда атомы сближаются, их электронные облака — области пространства, где вероятнее всего находятся электроны, — могут перекрываться. Если взаимодействие приводит к более устойчивому состоянию системы, электроны объединяются в общую пару, а притяжение ядер к этой паре удерживает атомы вместе. Поэтому связь возникает не от простого соприкосновения атомов, а благодаря подходящему взаимодействию их электронов и ядер.

При обменном механизме каждый атом вносит в общую пару по одному неспаренному электрону. Электроны с противоположными спинами образуют пару, которая одновременно притягивается обоими ядрами. Так каждый атом получает более устойчивое заполнение внешнего электронного уровня, а общая пара связывает атомы.

При донорно-акцепторном механизме у донора уже есть неподелённая пара — два электрона, не участвующие в связи с другим атомом. Акцептор предоставляет свободную орбиталь, куда эта пара может разместиться при сближении частиц. После образования связи оба электрона по-прежнему притягиваются обоими ядрами, поэтому связь ковалентная, хотя изначально пару предоставил только донор.

Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает электроны в химической связи. При одинаковой электроотрицательности атомы действуют на общую пару примерно одинаково, поэтому связь неполярна. Если значения различаются, более электроотрицательный атом сильнее притягивает пару, и связь становится полярной; чем заметнее различие, тем выраженнее смещение электронной плотности.

Число общих электронных пар задаёт кратность: одна пара образует одинарную связь, две — двойную, три — тройную. Кратность влияет на характеристики связи, но её прочность описывает энергия связи — энергия, необходимая для разрыва связи. Длина связи — расстояние между ядрами связанных атомов; она показывает, насколько близко атомы расположены друг к другу, а не то, сколько электронов находится в молекуле.

Виды и характеристики ковалентной связи

Чтобы определить вид связи, сначала сравните электроотрицательности атомов, затем установите, куда смещена общая пара. Обозначения δ− и δ+ показывают частичные, а не полные заряды. Таблица описывает именно связь, поэтому по ней нельзя автоматически определить полярность всей молекулы.

Разбор задач

Задача 1. Определите вид связи в молекулах H₂ и HCl. Используйте электроотрицательность: одинаковые атомы притягивают пару одинаково, а разные могут делать это неодинаково. Сравните атомы в каждой молекуле и укажите, смещена ли электронная плотность.

1. В H₂ связаны два одинаковых атома водорода, поэтому их электроотрицательности равны.
2. Общая пара не смещена преимущественно ни к одному атому, значит, связь неполярная.
3. В HCl хлор электроотрицательнее водорода, поэтому пара смещена к хлору и связь полярная.

Ответ: в H₂ связь неполярная, в HCl — полярная; в HCl на хлоре δ−, а на водороде δ+.

Задача 2. Изобразите электронные формулы H₂O и N₂, укажите число общих пар и кратность связей. При подсчёте отделяйте связывающие пары, расположенные между атомами, от неподелённых пар, принадлежащих одному атому. У кислорода шесть внешних электронов, у водорода — один, у азота — пять.

1. В H₂O кислород образует по одной общей паре с каждым из двух атомов водорода: H–O–H. У кислорода остаются две неподелённые пары.
2. Каждая связь O–H содержит одну общую пару, поэтому обе связи одинарные; всего в молекуле две связывающие пары.
3. В N₂ атомы азота объединяют три пары электронов: N≡N. У каждого атома остаётся по одной неподелённой паре, а связь тройная.

Ответ: в H₂O две одинарные связи и две неподелённые пары у кислорода; в N₂ одна тройная связь и по одной неподелённой паре у каждого атома азота.

Задача 3. В ионе NH₄⁺ укажите, как образуется связь между NH₃ и H⁺, и объясните, почему после образования иона все связи N–H равноценны. В молекуле аммиака у азота есть неподелённая электронная пара, а у протона нет электронов. Проследите, что происходит с этой парой при сближении частиц.

1. Азот в NH₃ предоставляет свою неподелённую пару протону H⁺, у которого есть возможность принять её.
2. Так возникает связь по донорно-акцепторному механизму, и образуется ион NH₄⁺.
3. После образования иона нельзя выделить связь, которая сохраняла бы отдельное происхождение: электронная плотность распределена по образовавшейся структуре, а все четыре связи N–H равноценны.

Ответ: связь возникает благодаря передаче пары от азота протону; в NH₄⁺ все четыре связи N–H равноценны.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что общая электронная пара принадлежит только одному атому. Так думают, потому что в полярной связи пара заметно смещена к одному участнику; однако смещение не отменяет совместного притяжения пары обоими ядрами. Проверьте себя: если описываете ковалентную связь, называйте электроны общими, а направление смещения отмечайте отдельно.

Ошибка: называть неполярной любую связь между неметаллами. Её допускают, когда ориентируются только на тип элементов и не сравнивают их электроотрицательности. Чтобы проверить ответ, определите, одинаково ли атомы притягивают общую пару: при разной электроотрицательности связь полярная.

Ошибка: отождествлять полярность связи с полярностью молекулы. Причина в том, что частичные заряды связи легко принять за общий результат для всей частицы, но диполи нескольких связей могут компенсироваться. Проверяйте не только связи, но и расположение атомов в пространстве: симметрия может привести к неполярности молекулы.

Ошибка: считать донорно-акцепторную связь отдельным видом связи, не относящимся к ковалентным. Это происходит из-за необычного распределения ролей: оба электрона первоначально даёт один атом. Проверьте себя вопросом, что удерживает частицы после образования связи: если пара стала общей и притягивается ядрами, связь ковалентная, а донорно-акцепторный механизм описывает её образование.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электронных оболочках атомов, неспаренных и неподелённых электронах: они показывают, какие электроны могут образовать общую пару. Чтобы предсказать полярность, нужно уметь сравнивать электроотрицательности. Эти представления пригодятся при изучении строения молекул и межмолекулярных взаимодействий. Через строение и взаимодействия можно объяснять физические свойства веществ, например их агрегатное состояние и температуры кипения.

Что запомнить

• Ковалентная связь возникает благодаря общей электронной паре.
• При обменном механизме каждый атом предоставляет по одному электрону общей пары.
• При донорно-акцепторном механизме оба электрона пары предоставляет один атом.
• Одинаковая электроотрицательность связанных атомов соответствует неполярной связи.
• При различной электроотрицательности общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Одна, две и три общие электронные пары образуют одинарную, двойную и тройную связь.