§ 50. Ковалентная связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — связь, возникающая между атомами за счёт общих электронных пар. Она появляется, когда атомы используют некоторые электроны совместно, а не принадлежащими только одному атому. Такая связь помогает удерживать атомы в составе молекулы и объясняет, почему они не разлетаются в стороны.

Общая электронная пара — два электрона, которыми одновременно пользуются оба связанных атома. Эти электроны располагаются между атомами и притягиваются к ядрам обоих, поэтому помогают удерживать атомы вместе. Представление об общей паре нужно, чтобы понимать и образование связи, и запись формул.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами примерно поровну. Обычно так происходит между одинаковыми атомами: они одинаково притягивают электроны. Этот термин показывает, что у пары нет заметного смещения к одному из атомов.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из связанных атомов. Так бывает, если один атом сильнее притягивает электроны. Понятие полярности помогает описать, как распределяется электронная пара между разными атомами.

Как это устроено

У атомов есть внешний электронный слой, и устойчивое состояние часто связано с тем, что этот слой заполнен. Если собственных электронов для этого не хватает, атом может образовать общие пары с другими атомами. Электроны такой пары учитываются сразу у обоих участников связи. Поэтому совместное использование электронов помогает атомам достичь более устойчивого состояния без полного перехода электронов от одного атома к другому.

В молекуле H₂ каждый атом водорода вносит по одному электрону, и вместе они образуют одну общую пару. В электронной формуле эту пару показывают двумя точками между символами атомов: H:H. Структурная формула проще: общую пару заменяют чертой, поэтому молекулу записывают H–H. В Cl₂ тоже образуется одна общая пара между атомами хлора: в электронной формуле её показывают точками, а в структурной — одной чертой Cl–Cl.

В H₂ и Cl₂ связь неполярная, потому что атомы в каждой молекуле одинаковые. Их ядра одинаково притягивают электроны общей пары, поэтому ни у одного атома нет причины смещать её к себе сильнее. Электронная пара находится между атомами примерно равномерно. Это объясняет, почему одинаковые атомы образуют неполярную связь.

Когда связаны разные атомы, их способность притягивать электроны может различаться. Тогда общая пара смещается к тому атому, который притягивает её сильнее, и связь становится полярной. Например, в HCl пара смещена к атому хлора, а не распределена поровну между водородом и хлором. Полярность не означает, что общая пара перестаёт быть общей: её по-прежнему используют оба атома.

Число общих электронных пар определяет кратность связи. Если атомы используют одну пару, связь одинарная; две общие пары образуют двойную связь, а три — тройную. В структурной формуле им соответствуют одна, две или три черты между символами атомов. Например, в O₂ две общие пары, а в N₂ — три.

Сравнение видов ковалентной связи

Сначала посмотрите, какие атомы образуют связь, а затем выясните, одинаково ли они притягивают общую пару. Таблица помогает определить вид связи и сравнить распределение электронов. Черта обозначает общую пару и сама по себе не показывает, полярна связь или нет.

Разбор задач

Задача 1. Покажите образование молекулы H₂ с помощью электронных и структурной формул.

Нужно показать, откуда берётся общая пара и как её записывают двумя способами. У каждого атома водорода есть по одному электрону. При сближении атомы используют эти электроны совместно, поэтому между ними возникает одна ковалентная связь.

1. Запишем символы атомов и по одному электрону каждого: H· и ·H.
2. Объединим два электрона между атомами в общую пару: электронная формула H:H.
3. Заменим общую пару одной чертой, чтобы получить структурную формулу H–H.

Ответ: электронная формула H:H, структурная формула H–H. Одна пара связывает два атома водорода и соответствует одинарной связи.

Задача 2. Определите, полярная или неполярная связь образуется в молекулах Cl₂ и HCl. Объясните ответ.

Для ответа важно сравнить атомы в каждой молекуле, а не только число связей. Одинаковые атомы притягивают общую пару одинаково, а у разных атомов притяжение может различаться. Поэтому проверим состав каждой молекулы и возможное смещение пары.

1. В Cl₂ связаны два атома хлора; они одинаковы и одинаково притягивают электроны.
2. Общая пара в Cl₂ не смещается к одному из атомов, значит, связь неполярная.
3. В HCl соединены разные атомы; хлор сильнее притягивает общую пару, поэтому она смещена к нему.

Ответ: в Cl₂ связь неполярная, в HCl — полярная. Различие связано с тем, как именно распределена общая пара, а не с тем, что в одной молекуле связь общая, а в другой нет.

Задача 3. Изобразите электронные и структурные формулы O₂ и N₂ и определите кратность связи в каждой молекуле.

Сначала выясним, сколько пар атомы используют совместно, а затем заменим каждую пару чертой. Для O₂ между атомами две общие пары, для N₂ — три. В электронных формулах эти пары показывают точками, а в структурных формулах каждая пара превращается в отдельную черту.

1. Для O₂ запишем две общие пары между атомами: электронная формула O::O; структурная формула O=O.
2. Сопоставим число пар с кратностью: две пары означают двойную связь в O₂.
3. Для N₂ запишем три общие пары: электронная формула N:::N; структурная формула N≡N.
4. Три общие пары означают тройную связь в N₂.

Ответ: в O₂ — двойная связь, в N₂ — тройная. В каждой электронной паре два электрона, а число пар показывает, сколько черт будет в структурной формуле.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что общая электронная пара принадлежит только одному атому. Так можно подумать, если представить электроны как собственность атома, но при ковалентной связи парой пользуются оба связанных атома. Проверьте себя: если пара общая, она должна располагаться между атомами и связывать их.

Иногда связь между одинаковыми атомами называют полярной, потому что атомы будто бы «делят» электроны. Но одинаковые атомы притягивают общую пару одинаково, поэтому она не смещена к одному из них. Сверьте символы атомов: например, в Cl₂ они одинаковы, значит, связь неполярная.

Не путайте число общих пар с числом электронов в одной паре. В каждой паре два электрона, поэтому одна пара — это два электрона, а две пары — четыре. Чтобы проверить запись, отдельно посчитайте пары, а не все электроны вместе.

Черта в структурной формуле обозначает не один электрон, а целую общую электронную пару. Путаница появляется, если черту воспринимать как условный знак отдельного электрона. Сопоставьте формулы: одна черта заменяет две точки общей пары, две черты — две пары.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужно знать строение атома и уметь определять электроны внешнего слоя. Обозначение электронов точками помогает составлять электронные формулы и видеть, какие электроны образуют общие пары. Эти знания пригодятся при изучении молекулярных формул, поскольку строение связи объясняет, как атомы объединяются в молекуле. Позже связь между атомами поможет разбирать свойства веществ и изменения, происходящие во время химических реакций.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар.
• Общая электронная пара удерживает связанные атомы вместе.
• Связь между одинаковыми атомами обычно неполярная.
• В полярной связи общая электронная пара смещена к одному из атомов.
• Одна общая пара соответствует одинарной связи, две — двойной, три — тройной.
• В структурной формуле общую электронную пару показывают чертой.