§ 51. Полярная и неполярная связь. Свойства ковалентной связи

Определения и обозначения

Ковалентная неполярная связь — связь, в которой общая электронная пара принадлежит связанным атомам примерно одинаково. Так бывает, если атомы одинаковы или их способность притягивать электроны близка. Это понятие помогает узнать, есть ли у связи смещённая электронная плотность.

Ковалентная полярная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из связанных атомов. Он притягивает электроны сильнее, поэтому распределение заряда становится неравномерным. Это определение позволяет понять, почему атомы одной молекулы могут иметь разные частичные заряды.

Электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны в химической связи. Сравнивая электроотрицательности двух связанных атомов, можно определить, будет ли связь полярной и в какую сторону сместится электронная пара. Чем больше различие, тем заметнее обычно полярность связи.

Длина связи — расстояние между ядрами связанных атомов в устойчивой молекуле. Она показывает, насколько близко расположены ядра, и зависит от вида атомов и кратности связи. Вместе с энергией связи длина помогает описывать строение и прочность химической связи.

Как это устроено

Связь между атомами возникает благодаря общей электронной паре: каждый атом предоставляет неспаренный электрон, а затем оба электрона участвуют в связывании. Электроны имеют отрицательный заряд и притягиваются к положительно заряженным ядрам обоих атомов. Область между ядрами становится общей для атомов, и благодаря этому они удерживаются вместе. Так образование пары объясняет, почему возникает ковалентная связь.

Если электроотрицательности атомов одинаковы или близки, каждый из них примерно одинаково притягивает общие электроны. Поэтому электронная плотность — область, где вероятнее обнаружить электроны, — распределяется почти равномерно. Выраженного смещения к одному ядру нет, и связь называют неполярной. Пример — связь в H₂, где соединены два одинаковых атома водорода.

При различии электроотрицательностей один атом сильнее притягивает электронную пару. Электроны проводят больше времени вблизи его ядра, поэтому связь становится полярной. Чем заметнее различие электроотрицательностей, тем сильнее обычно смещение; однако связь при этом остаётся ковалентной, пока электронная пара общая. Например, в HCl пара смещена к атому хлора.

Из-за смещения электронной плотности на атоме, который сильнее притягивает пару, возникает частичный отрицательный заряд δ−, а на другом — частичный положительный заряд δ+. Эти обозначения показывают неравномерное распределение электронов, а не передачу электрона целиком. Поэтому δ− и δ+ не равны зарядам полноценных ионов. Такое различие помогает описать полярную связь, не принимая её за ионную.

Ковалентную связь характеризуют длина и энергия. Длина — расстояние между ядрами в устойчивой молекуле; она зависит от того, какие атомы связаны, и от кратности связи, то есть числа общих электронных пар. Энергия связи показывает, сколько энергии нужно затратить на её разрыв: чем связь прочнее, тем больше требуется энергии. Эти характеристики описывают разные стороны связи — расстояние между атомами и устойчивость их соединения.

Сравнение ковалентных неполярной и полярной связей

Чтобы пользоваться таблицей, сначала выясни, какие атомы соединены, а затем сравни их электроотрицательности. Это покажет, равномерно ли распределена общая пара и есть ли у атомов частичные заряды. Примеры относятся к связям внутри молекул, а не обязательно описывают полярность молекулы целиком.

Разбор задач

1. Связь в молекуле H₂

Условие. Определите тип связи в молекуле H₂ и объясните распределение общей электронной пары. Решение. Сравним связанные атомы и выясним, может ли один из них притягивать электроны сильнее. Поскольку атомы одинаковые, они одинаково воздействуют на общую пару.

1. В молекуле соединены два атома водорода.
2. Их электроотрицательности равны, поэтому ни один атом не притягивает пару сильнее другого.
3. Электронная пара распределена почти равномерно, а выраженных частичных зарядов из-за её смещения нет.

Ответ: связь H–H ковалентная неполярная; общая электронная пара принадлежит обоим атомам примерно одинаково.

2. Связь в молекуле HCl

Условие. Определите тип связи в молекуле HCl и укажите, какой атом имеет частичный отрицательный заряд. Решение. Сравним электроотрицательности водорода и хлора, чтобы определить направление притяжения общей пары. Хлор электроотрицательнее водорода, поэтому электронная плотность смещается к нему.

1. В молекуле связаны атомы H и Cl, электроотрицательности которых различаются.
2. Общая электронная пара смещена к атому хлора, который притягивает её сильнее.
3. На хлоре появляется частичный отрицательный заряд δ−, на водороде — частичный положительный заряд δ+.

Ответ: связь H–Cl ковалентная полярная; частичный отрицательный заряд δ− имеет атом хлора.

3. Сравнение полярности H–F, H–Cl и H–Br

Условие. Расположите связи H–F, H–Cl и H–Br по уменьшению полярности. Решение. Полярность связи связана с различием электроотрицательностей её атомов. Во всех трёх случаях водород связан с галогеном, поэтому сравним, насколько электроотрицательность галогена превышает электроотрицательность водорода.

1. Фтор притягивает общую пару сильнее всего, поэтому различие электроотрицательностей в H–F наибольшее.
2. У хлора электроотрицательность ниже, чем у фтора, поэтому связь H–Cl полярна слабее, чем H–F.
3. У брома электроотрицательность ниже, чем у хлора; различие для H–Br наименьшее из трёх.

Ответ: H–F > H–Cl > H–Br по убыванию полярности связи. Сравниваются именно связи, а не полярность молекул целиком.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую ковалентную связь неполярной. Так можно решить, что общность электронов всегда означает равномерное распределение, но разные атомы притягивают пару с разной силой. Сравни электроотрицательности конкретных связанных атомов: их различие указывает на полярную связь.

Ошибка — называть δ+ и δ− полноценными ионами. Такие обозначения часто принимают за заряды ионов, потому что они показывают положительную и отрицательную стороны. Проверь, передан ли электрон целиком: в полярной ковалентной связи пара остаётся общей и только смещается.

Ошибка — определять полярность лишь по формуле вещества. Формула показывает состав, но не всегда позволяет без рассмотрения связей установить их тип. Выбери конкретную пару соединённых атомов и сравни их электроотрицательности — именно это определяет полярность данной связи.

Ошибка — смешивать полярность связи с полярностью молекулы. Её допускают, когда свойства отдельных связей автоматически переносят на всю молекулу. Проверь также форму молекулы и расположение связей: их полярные действия могут складываться или взаимно компенсироваться.

Связь с другими темами

Чтобы понять полярность связи, нужно знать строение атома, уметь находить валентные электроны и представлять образование общей электронной пары. Понятие электроотрицательности помогает сравнить атомы в составе связи и предсказать смещение электронов. Эти знания применяют для объяснения свойств молекул, межмолекулярных взаимодействий и растворимости веществ. При этом для свойств целой молекулы учитывают не только отдельные связи, но и её строение.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общей электронной пары.
• В неполярной связи общая пара распределена между атомами почти равномерно.
• В полярной связи общая пара смещена к более электроотрицательному атому.
• На атомах полярной связи могут возникать частичные заряды δ+ и δ−.
• Полярность связи определяется электроотрицательностями связанных атомов.
• Длина и энергия связи — её важные характеристики.