§ 11. Взаимодействие атомов элементов-неметаллов между собой

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, возникающая благодаря общим электронным парам. Такая пара притягивается ядрами обоих атомов и удерживает их рядом. Ковалентная связь характерна для атомов неметаллов, которые при сближении объединяют электроны, а не передают их полностью.

Общая электронная пара — пара электронов, принадлежащая одновременно двум связанным атомам. В электронной формуле её можно показать двумя точками между символами атомов или чертой: H:H и H—H. Такое обозначение помогает увидеть, сколько пар связывает атомы.

Ковалентная неполярная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами примерно одинаково. Обычно она возникает между одинаковыми атомами, поэтому ни один из них не притягивает пару сильнее. Примеры таких связей — H—H и Cl—Cl.

Ковалентная полярная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из атомов. Причина смещения — различная способность атомов притягивать электроны. Это понятие позволяет понять, почему внутри некоторых молекул заряд распределён неравномерно.

Как это устроено

Атомам неметаллов обычно невыгодно отдавать электроны друг другу: ни один из них не стремится легко расстаться со своими внешними электронами. При сближении атомы могут использовать некоторые электроны совместно, образуя общую пару. Её притягивают оба ядра, поэтому атомы удерживаются рядом. Такое объединение помогает каждому атому получить более устойчивую внешнюю электронную оболочку.

Число неспаренных электронов на внешнем уровне подсказывает, сколько общих пар способен образовать атом. Неспаренный электрон может соединиться с таким же электроном другого атома, и вместе они образуют пару. У водорода один такой электрон, поэтому в H₂ образуется одна связь H—H. У кислорода два неспаренных электрона, поэтому в молекуле H₂O атом O образует две связи — по одной с каждым атомом H.

В молекулах H₂ и Cl₂ связаны одинаковые атомы, поэтому они одинаково притягивают общую электронную пару. Она не смещается заметно ни к одному из атомов и остаётся распределённой примерно поровну. По этой причине связь называют неполярной. В молекуле O₂ происходит то же самое, хотя между атомами образуются уже две общие пары.

Если связаны разные атомы, их способность притягивать электроны может различаться. Её характеризует электроотрицательность: чем она выше, тем сильнее атом притягивает общую пару. Поэтому в HCl пара смещена к хлору, у которого электроотрицательность выше, чем у водорода. Такое смещение общей пары означает, что связь полярная.

По числу общих электронных пар различают одинарные, двойные и тройные связи. Одна пара соответствует одинарной связи и обозначается одной чертой, две пары — двойной связи с двумя чертами, три — тройной с тремя. Например, электронную формулу O₂ записывают как O::O или O=O, показывая две общие пары. Вокруг атомов в электронной формуле также могут быть показаны точки, обозначающие электроны, не участвующие в связи.

Сравнение ковалентных связей

Чтобы определить вид связи, сначала посмотрите, одинаковые ли атомы соединены, а затем сравните их электроотрицательности. Таблица показывает, что решающим признаком служит распределение общей пары, а состав молекулы помогает его объяснить. Между разными атомами связь не обязательно полярная: нужно учитывать, насколько различаются их электроотрицательности.

Разбор задач

Составьте электронную формулу молекулы H₂ и укажите вид связи.

В молекуле соединяются два атома водорода, у каждого из которых один электрон на внешнем уровне. Атомам выгодно объединить эти электроны в общую пару. Нужно показать эту пару между атомами и определить, смещена ли она.

1. Записываем символы атомов: H и H.
2. У каждого водорода есть по одному электрону, поэтому они образуют одну общую электронную пару.
3. Записываем формулу H:H или H—H. Атомы одинаковы, значит, пара распределена поровну.

Ответ: электронная формула H:H (или H—H); связь одинарная ковалентная неполярная.

Составьте электронную формулу молекулы HCl и определите, к какому атому смещена общая электронная пара.

Водород и хлор — разные неметаллы, и каждый образует одну связь в молекуле HCl. Чтобы определить вид связи, недостаточно заметить, что атомы разные: нужно сравнить их электроотрицательности. Более электроотрицательный атом притягивает общую пару сильнее.

1. У водорода один неспаренный электрон, а у хлора есть один электрон, участвующий в образовании связи.
2. Эти электроны образуют общую пару, поэтому электронную формулу записываем как H:Cl или H—Cl.
3. Электроотрицательность хлора выше, чем водорода, поэтому пара смещена к атому Cl.

Ответ: H:Cl; связь ковалентная полярная, общая электронная пара смещена к хлору.

Составьте электронную формулу молекулы O₂, установите число общих электронных пар и определите вид связи.

В молекуле кислорода соединяются два одинаковых атома O. У каждого атома кислорода два неспаренных электрона, которые могут образовать пары с электронами второго атома. Поэтому между атомами возникают две общие пары, а не одна.

1. Записываем символы двух атомов: O и O.
2. Сопоставляем неспаренные электроны: атомы образуют две общие пары.
3. Показываем их формулой O::O или O=O. Поскольку оба атома одинаковы, общие пары не смещаются к одному из них.

Ответ: O::O (или O=O); две общие пары образуют двойную ковалентную неполярную связь.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при ковалентной связи один атом полностью отдаёт электрон другому. Так можно спутать ковалентную связь с передачей электронов, но общая пара остаётся общей для двух атомов. Проверка: если в формуле между атомами показана общая пара, электроны не принадлежат только одному из них.

Иногда связь между разными неметаллами называют ионной только потому, что атомы различаются. Однако тип связи определяют не по одному этому признаку, а по тому, как взаимодействуют электроны. Проверьте формулу: общая электронная пара указывает на ковалентную связь, а её смещение помогает определить полярность.

Число связей путают с числом электронов и, например, принимают два электрона за две связи. Но одна ковалентная связь — это одна общая пара, то есть два электрона. Для самопроверки считайте пары между атомами: одна пара означает одинарную связь, две — двойную, три — тройную.

Ещё одна ошибка — считать полярной любую связь между разными атомами. Разные элементы могут иметь близкие электроотрицательности, поэтому одного различия символов недостаточно. Сравните электроотрицательности: полярность связана со смещением общей пары, а не просто с тем, что атомы неодинаковы.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужны знания о строении атома, электронных оболочках и числе электронов на внешнем уровне. Эти сведения помогают определить, какие электроны могут стать общими и сколько связей образует атом. Без них трудно составить электронную формулу молекулы.

Чтобы объяснить полярность, необходимо знать понятие электроотрицательности и уметь сравнивать её значения у разных элементов. Позже представления о ковалентной связи пригодятся при изучении формул, состава и свойств веществ, а также химических реакций. По формулам связей можно понять, как атомы соединены в молекулах.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар.
• Одна общая электронная пара образует одну ковалентную связь.
• Одинаковые атомы обычно образуют неполярную ковалентную связь.
• В полярной связи общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Двойная связь включает две общие электронные пары, тройная — три.
• Электронную формулу можно записывать точками или чертами, обозначающими общие пары.