§ 4. Ковалентная химическая связь

Определения и обозначения

Ковалентная химическая связь — связь, возникающая благодаря общей электронной паре двух атомов. Она соединяет атомы в молекуле и влияет на её строение и свойства. Такое определение сразу показывает, что главное в связи — совместное использование электронов.

Общая электронная пара — два электрона, которые одновременно принадлежат связанным атомам и располагаются между их ядрами. Она притягивается к обоим ядрам, поэтому удерживает атомы вместе. Её образование также помогает внешним электронным уровням стать более устойчивыми.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами примерно поровну. Обычно она возникает между одинаковыми атомами, например в H₂ или Cl₂. По ней можно понять, что ни один из атомов не притягивает пару заметно сильнее.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью. Поэтому на атомах появляются частичные заряды: δ− у более электроотрицательного и δ+ у другого. Эти знаки не означают переход электронов и образование настоящих ионов.

Как это устроено

При сближении атомов их электронные облака начинают перекрываться. Между ядрами возникает область общей электронной плотности, где вероятность обнаружить электроны становится значительной. Электроны этой области притягиваются сразу к двум ядрам, поэтому система может стать устойчивее, чем два удалённых атома.

При обменном механизме каждый атом предоставляет по одному неспаренному электрону. Эти электроны объединяются в общую пару, например два атома водорода образуют H:H, или H—H. В молекуле HCl один электрон даёт водород, а второй — хлор, поэтому между ними появляется общая пара.

Общая пара удерживает атомы потому, что её электроны притягиваются к положительно заряженным ядрам с двух сторон. Это притяжение компенсирует отталкивание ядер и электронных облаков, если расстояние между атомами подходящее. Одновременно каждый атом получает доступ к дополнительным электронам внешнего уровня: водороду достаточно двух, а многим другим атомам — восьми.

Чтобы определить характер связи, сравнивают электроотрицательности атомов, то есть их способность притягивать общие электроны. У одинаковых атомов разность электроотрицательностей равна нулю, поэтому связь неполярна. Чем заметнее различие, тем сильнее общая пара смещается к одному атому и тем более полярной становится связь.

В электронных формулах общую пару изображают двумя точками между символами атомов или одной чертой, а неподелённые пары — двумя точками около символа одного атома. Например, H:Cl показывает общую пару H и Cl, а у хлора дополнительно рисуют три неподелённые пары. Для полярной связи записывают H^δ+—Cl^δ−, подчёркивая направление смещения электронной плотности.

Сравнение ковалентных связей

Пользуйтесь таблицей как алгоритмом: сначала сравните атомы, затем определите положение общей пары и только после этого поставьте частичные заряды. Для одинаковых атомов достаточно указать равномерное распределение электронов. Для разных атомов нужно выяснить, какой из них электроотрицательнее.

Разбор задач

1. Молекула H₂

Условие: определите вид связи в молекуле H₂ и изобразите общую электронную пару. В молекуле соединены два одинаковых атома водорода. Нужно установить, как они распределяют электроны.

1. У каждого атома H есть по одному электрону на внешнем уровне, поэтому каждый предоставляет по одному электрону.
2. Электроны образуют общую пару: H:H, или H—H. Электроотрицательности одинаковых атомов равны, значит, пара находится между ними примерно посередине.
3. Следовательно, связь неполярная. Частичные заряды не ставят, поскольку смещения электронной плотности к одному атому нет.

Ответ: в H₂ ковалентная неполярная связь, общая пара — H:H или H—H. Каждый атом водорода участвует в общей паре одним электроном. Молекула удерживается притяжением этой пары к обоим ядрам.

2. Молекула HCl

Условие: изобразите электронную формулу HCl, определите полярность связи и укажите частичные заряды. Водород и хлор — разные атомы, поэтому их электроотрицательности нужно сравнить. Кроме общей пары, следует показать неподелённые пары хлора.

1. Водород и хлор предоставляют по одному электрону, образуя общую пару между символами: H:Cl.
2. Хлор электроотрицательнее водорода, поэтому общая пара смещается к Cl. Связь становится полярной: H^δ+—Cl^δ−.
3. У хлора после образования связи остаются три неподелённые пары, а у водорода внешний уровень заполнен общей парой.

Ответ: HCl содержит одну полярную ковалентную связь. Электронная формула — H:Cl, у Cl три неподелённые пары; частичные заряды H^δ+ и Cl^δ−. Полного заряда +1 или −1 у атомов в этой молекуле нет.

3. Молекулы H₂O и CO₂

Условие: изобразите электронные формулы H₂O и CO₂, определите полярность каждой связи и объясните распределение общих пар. В каждой молекуле сначала рассматривают отдельные связи, а затем — расположение этих связей в целом. Это позволяет не смешивать полярность связи с полярностью молекулы.

1. В H₂O кислород образует две общие пары с двумя атомами H: H:O:H. У кислорода остаются две неподелённые пары, а поскольку O электроотрицательнее H, обе связи O—H полярны и направлены к O.
2. В CO₂ углерод соединён с каждым кислородом двумя общими парами: O=C=O. Каждая связь C=O полярна и электронная плотность в ней смещена к O; у каждого кислорода остаются две неподелённые пары.
3. Вода имеет угловое строение, поэтому смещения двух связей не компенсируются полностью. CO₂ линейна и симметрична, поэтому две равные полярные связи направлены противоположно и взаимно компенсируются.

Ответ: в H₂O две полярные связи O—H, две неподелённые пары у O, молекула полярна. В CO₂ две полярные двойные связи C=O, по две неподелённые пары у каждого O, но молекула в целом неполярна из-за симметрии. Общие пары показывают между атомами, неподелённые — около соответствующего атома.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что ковалентная связь бывает только между одинаковыми атомами. Так думают из-за примеров H₂ и O₂, но HCl и H₂O показывают обратное. Проверьте себя: сравните не названия атомов, а наличие общей пары и их электроотрицательности.

Ошибка 2. Путать полярность связи с полярностью молекулы. Полярные связи в симметричной CO₂ компенсируют друг друга, тогда как в угловой H₂O — нет. Для проверки отдельно определите смещение в каждой связи, а затем учтите форму молекулы.

Ошибка 3. Приписывать атомам полный заряд вместо частичного. Знаки δ+ и δ− обозначают лишь неравномерное распределение общей пары, а не превращение атомов в ионы. Если электронная пара остаётся общей, используйте именно частичные заряды.

Ошибка 4. Называть общую пару неподелённой. Общая пара находится между двумя атомами, а неподелённая остаётся около одного из них. Проверьте формулу: пара между символами участвует в связи, пара сбоку принадлежит только одному атому.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужны знания о строении атома, внешнем электронном уровне и электроотрицательности. Эти понятия объясняют, какие электроны участвуют в образовании общей пары и почему она смещается.

Ковалентная связь помогает объяснять состав и строение молекул, их свойства и электронные формулы. По числу общих и неподелённых пар можно представить, как атомы соединены между собой.

Полярность связи пригодится при изучении межмолекулярных взаимодействий, растворимости и химических реакций. Смещение электронной плотности влияет на притяжение молекул и на направление многих превращений.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар.
• При образовании общей пары каждый атом может предоставить по одному электрону.
• В неполярной связи общая пара распределена между атомами примерно равномерно.
• В полярной связи общая пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Частичные заряды в полярной связи обозначают δ+ и δ−.
• Электронная формула показывает общие и неподелённые пары электронов.