§ 50. Ковалентная связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, образованная общей электронной парой двух атомов. Иначе говоря, атомы удерживаются вместе благодаря двум электронам, которыми пользуются оба. Это понятие помогает объяснить, как образуются молекулы многих веществ.

Общая электронная пара — два электрона, принадлежащие одновременно двум связанным атомам. В отличие от остальных электронов атома, они участвуют в соединении атомов друг с другом. Именно их изображают между символами атомов в электронной формуле.

Неполярная ковалентная связь — связь между атомами с одинаковой электроотрицательностью, при которой общая пара не смещена к одному из них. Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает общие электроны. Такое название помогает описать равномерное распределение пары, например в Cl₂.

Полярная ковалентная связь — связь между атомами с разной электроотрицательностью, при которой общая пара смещена к более электроотрицательному атому. Поэтому электроны распределены между атомами неравномерно. Это понятие позволяет указать, к какому атому сильнее притягивается общая пара.

Как это устроено

Атомы образуют общие пары, потому что такое объединение делает их внешние электронные оболочки более устойчивыми. Электроны общей пары притягиваются ядрами сразу двух атомов, поэтому атомы оказываются связанными. У каждого из них при этом появляется возможность приблизиться к устойчивому заполнению внешнего уровня. Именно поэтому образование связи выгодно атомам, а не является простым механическим сближением.

Когда два атома сближаются, их неспаренные электроны могут образовать общую пару. В электронных формулах электроны показывают точками, поэтому пару удобно изобразить между символами атомов. В структурной формуле ту же пару заменяют чертой: так легче увидеть, какие атомы соединены. Электронная формула при этом подробнее, потому что может показывать и пары, не участвующие в связи.

Число возможных связей связано с количеством неспаренных электронов на внешнем уровне. Неспаренный электрон может объединиться с электроном другого атома и образовать общую пару. Поэтому, например, атом кислорода с двумя неспаренными электронами способен образовать две связи. При этом важно различать отдельные электроны атома и уже образованные общие пары.

Связи различают по числу общих электронных пар между атомами. Одна пара означает одинарную связь, две — двойную, три — тройную. В структурной формуле их показывают одной, двумя или тремя чертами соответственно. Например, O₂ записывают O=O, а N₂ — N≡N.

Если связаны одинаковые атомы, их электроотрицательность одинакова, и каждый притягивает общую пару с одинаковой силой. Поэтому пара остаётся между атомами и связь неполярная. У разных атомов электроотрицательность может отличаться: более электроотрицательный атом притягивает общую пару сильнее. Тогда пара смещается к нему, и связь называют полярной, как в H–Cl.

Виды ковалентной связи и способы её изображения

Сопоставляйте атомы в молекуле и их электроотрицательность, чтобы определить вид связи. Затем проверьте, куда направлено смещение общей пары, и сравните обозначения в формулах. Примеры электронных формул в таблице условные: точки показывают электроны, а двоеточие между атомами — общую пару.

Разбор задач

Задача 1. Изобразить образование молекулы H₂ с помощью электронных и структурных формул.

1. У каждого атома водорода есть один электрон, и он неспаренный.
2. При сближении атомы объединяют эти электроны в одну общую пару.
3. Электронная формула показывает оба электрона между атомами: H:H. Структурная формула заменяет пару чертой: H–H.

Ответ: в H₂ одна общая электронная пара и одинарная ковалентная связь.

Задача 2. Определить вид связи в молекулах Cl₂, HCl и O₂.

1. Сначала сравним атомы: в Cl₂ связаны два атома хлора, а в O₂ — два атома кислорода.
2. Одинаковые атомы имеют одинаковую электроотрицательность, поэтому общая пара не смещается. Связи Cl–Cl и O=O неполярные.
3. В HCl связаны разные атомы. Хлор притягивает общую пару сильнее водорода, поэтому связь H–Cl полярная.

Ответ: Cl₂ и O₂ — неполярные связи, HCl — полярная связь.

Задача 3. Составить электронную и структурную формулы H₂O и определить число ковалентных связей.

1. У кислорода два неспаренных электрона, поэтому он может образовать две общие пары с двумя атомами водорода.
2. Электронная формула показывает две связи O:H и O:H, а также две неподелённые пары на атоме кислорода. Условная запись этих пар: H:O:H, где у O дополнительно остаются две пары точек.
3. В структурной формуле каждую общую пару заменяем чертой и получаем H–O–H. Неподелённые пары чертами между атомами не обозначаются.

Ответ: в молекуле H₂O две ковалентные связи O–H и две неподелённые электронные пары у кислорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать ковалентной связью любую пару электронов в атоме. В атоме могут быть неподелённые пары, которые не соединяют его с другим атомом, поэтому их легко спутать с общими. Проверьте, находится ли пара между связанными атомами и участвует ли она в их соединении.

Ошибка — изображать в H₂ одну общую электронную точку. Общая пара состоит из двух электронов, по одному от каждого атома, а не из одного. Проверьте электронную формулу: между символами H должно быть две точки, а в структурной записи им соответствует одна черта.

Ошибка — автоматически называть связь между любыми разными атомами полярной. Разные атомы могут притягивать электроны почти одинаково, поэтому нужно сравнивать их электроотрицательность, а не только обозначения элементов. Проверьте, есть ли различие в притяжении общей пары и смещена ли она к одному из атомов.

Ошибка — путать число общих пар с числом электронов. Одинарная, двойная и тройная связи содержат соответственно одну, две и три пары, то есть два, четыре и шесть электронов. Чтобы проверить себя, посчитайте пары, а не отдельные точки или черты.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужны знания о строении атома, электронной оболочке и распределении электронов по уровням. Также нужно уметь находить число электронов на внешнем уровне и понимать смысл электроотрицательности, то есть способности атома притягивать общие электроны. Эти знания пригодятся при изучении строения молекул, валентности и химических формул. Они также помогают объяснять свойства веществ молекулярного строения.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется общей электронной парой.
• Общие электронные пары возникают между неспаренными электронами атомов.
• Одна общая пара образует одинарную связь, две — двойную, три — тройную.
• Связь между одинаковыми атомами обычно неполярная.
• В полярной связи общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Электронная формула показывает общие и неподелённые электронные пары.
• Структурная формула обозначает общую электронную пару чертой.