§ 51. Полярная и неполярная связь. Свойства ковалентной связи

Определения и обозначения

Ковалентная неполярная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами примерно поровну. Это происходит, например, в молекулах простых веществ H₂ и Cl₂, состоящих из одинаковых атомов. Такое понятие помогает описать связь, в которой нет заметного смещения электронной пары к одному из атомов.

Ковалентная полярная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из атомов. Например, в молекуле HCl она притягивается к атому хлора сильнее. Понятие полярности нужно, чтобы показать, как внутри молекулы распределяется электронная плотность.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Сравнивая электроотрицательности двух связанных атомов, можно определить, будет ли пара смещена и в какую сторону. Если значения одинаковы или близки, связь неполярная или слабо полярная; при заметном различии она полярная.

Диполь — молекула или её часть с разделёнными частичными зарядами. В HCl атом хлора получает обозначение δ−, а атом водорода — δ+, потому что электронная пара смещена к хлору. Символы δ− и δ+ показывают неполные, частичные заряды, а не заряды отдельных ионов.

Как это устроено

В молекуле из одинаковых атомов каждый атом одинаково притягивает общую электронную пару, поскольку у них одинаковая электроотрицательность. Электронное облако поэтому не смещается преимущественно к одному из ядер. Так образуется неполярная связь, как в H₂ и Cl₂. Равномерное распределение здесь означает отсутствие выраженных частичных зарядов на концах связи.

Если электроотрицательности атомов различаются, один из них сильнее притягивает общие электроны. Электронная пара остаётся общей, но большую часть времени находится ближе к более электроотрицательному атому. На нём возникает частичный отрицательный заряд δ−, а на другом — частичный положительный заряд δ+. Поэтому полярность связана не с передачей электронов, а с неравномерностью их распределения.

Чтобы определить полярность, сначала установите, какие атомы образуют связь, а затем сравните их электроотрицательности. У одинаковых атомов она одинакова, поэтому связь неполярная; у разных атомов нужно оценить разницу, а не делать вывод только по их названиям. Более электроотрицательный атом обозначают δ−, второй — δ+. Например, в HCl электронная пара смещена к хлору. Этот способ применяют именно к связи между атомами; свойства всей молекулы могут зависеть также от её строения.

Длина ковалентной связи — расстояние между ядрами связанных атомов. Её измеряют как геометрическую характеристику: она показывает, насколько близко расположены ядра в молекуле. Энергия связи характеризует затраты энергии на разрыв этой связи. Чем больше энергии требуется, тем труднее связь разорвать.

Полярность, длина и энергия описывают разные стороны связи. Полярность показывает, насколько неравномерно распределена общая электронная пара, длина — расстояние между ядрами, а энергия — затраты на разрыв. Поэтому нельзя определить энергию связи только по наличию δ+ и δ− или заменить расстояние оценкой прочности. Для полного описания учитывают каждую характеристику отдельно.

Сравнение ковалентных связей и их характеристик

Сначала по первым четырём строкам сравните распределение электронов и найдите пример нужного типа связи. Длина и энергия — отдельные характеристики: таблица не утверждает, что у всех неполярных связей они одинаковы. Их значения зависят от конкретных атомов и самой связи.

Разбор задач

Задача 1. Определите, полярная или неполярная связь образуется в молекулах H₂ и HCl. Нужно выяснить, одинаковы ли атомы в каждой молекуле и как соотносятся их электроотрицательности. По этим данным можно определить распределение общей электронной пары и назвать тип связи.

1. В H₂ связаны два одинаковых атома водорода, поэтому они притягивают общую пару одинаково.
2. Электронная пара в H₂ распределена примерно поровну, значит, связь неполярная.
3. В HCl связаны разные атомы; хлор электроотрицательнее водорода и сильнее притягивает общую пару.

Ответ: в H₂ связь неполярная, а в HCl — полярная. В HCl электронная пара смещена к хлору.

Задача 2. Покажите смещение общей электронной пары и обозначьте частичные заряды в HF. Важно не просто увидеть два разных атома, а определить, какой из них сильнее притягивает электроны. После этого знаки δ− и δ+ ставят по направлению смещения пары.

1. Сравниваем атомы: фтор более электроотрицателен, чем водород.
2. Общая электронная пара смещена от H к F; это можно показать стрелкой H → F.
3. Атому F соответствует частичный заряд δ−, атому H — δ+.

Ответ: Hδ+—Fδ−; связь полярная, электронная пара смещена к фтору. Заряды частичные, поскольку пара по-прежнему принадлежит обоим атомам.

Задача 3. Для связи C—O определите направление смещения пары и частичные заряды, затем объясните, что означают длина и энергия этой связи. Разделите рассуждение на две части: сначала выясните полярность, а потом раскройте значения характеристик связи. Так вы не перепутаете направление электронного смещения с её прочностью.

1. Кислород электроотрицательнее углерода, поэтому общая пара смещена к O.
2. На O обозначают δ−, на C — δ+; связь полярная.
3. Длина C—O — расстояние между ядрами C и O, а энергия связи — затраты энергии на разрыв этой связи.

Ответ: Cδ+—Oδ−; электронная пара смещена к кислороду. Длина характеризует расстояние, энергия — трудность разрыва связи.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую связь между разными атомами полярной. Её допускают, когда ориентируются только на то, что названия атомов различаются, и не сравнивают их электроотрицательности. Проверьте себя: сначала определите, какой атом сильнее притягивает общую пару, и только потом делайте вывод о полярности. Если различие электроотрицательностей не оценено, вывод не обоснован.

Ошибка — принимать δ+ и δ− за полноценные заряды ионов. Так происходит, когда частичный знак воспринимают как свидетельство полной передачи электронов, хотя в ковалентной связи пара остаётся общей. Для проверки спросите себя, отделился ли электрон от атома или только сместился внутри общей пары. Во втором случае речь идёт о частичных зарядах.

Ошибка — направлять общую электронную пару к менее электроотрицательному атому. Причина часто в том, что направление смещения путают с порядком записи атомов в формуле или схеме. Сверьте электроотрицательности: пара смещается к тому атому, который сильнее её притягивает. У него ставят δ−, а у второго — δ+.

Ошибка — смешивать длину и энергию связи. Оба понятия относятся к характеристикам одной связи, но длина описывает расстояние между ядрами, а энергия — затраты на разрыв. Чтобы проверить ответ, спросите себя, измеряет ли характеристика геометрическое расстояние или необходимую энергию. Если определения подходят к другому термину, их перепутали.

Связь с другими темами

Для понимания полярности сначала нужно знать, как образуется ковалентная связь и что такое общая электронная пара: без этого невозможно объяснить её смещение. Также понадобится понятие электроотрицательности и умение сравнивать её у атомов. Эти знания помогают описывать распределение электронов, строение и свойства молекул. Позже они пригодятся при изучении других видов химической связи и объяснении поведения веществ.

Что запомнить

• В неполярной связи общая электронная пара распределена между атомами равномерно.
• В полярной связи общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Частичный отрицательный заряд обозначают δ−, частичный положительный — δ+.
• Полярность связи зависит от различия электроотрицательностей связанных атомов.
• Длина связи — расстояние между ядрами связанных атомов.
• Энергия связи характеризует затраты на разрыв связи.