§ 12. Ковалентная полярная химическая связь

Определения и обозначения

Ковалентная полярная связь — связь, образованная общей электронной парой, смещённой к одному из атомов. Общая пара удерживает атомы вместе, но распределена между ними неравномерно. Это понятие помогает описать, как именно связаны атомы и где в молекуле сосредоточено больше электронов.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. У связанных атомов эта способность может быть разной. Сравнение электроотрицательностей позволяет определить направление смещения пары и предсказать полярность связи.

Частичные заряды δ+ и δ− показывают, что электронная плотность в полярной связи распределена неодинаково. Знак δ− ставят у атома, к которому смещена общая пара, а δ+ — у второго атома. Эти обозначения нужны, чтобы показать небольшое разделение зарядов, не принимая его за переход целых электронов.

Электронная плотность — распределение электронов в пространстве около атомов и между ними. Там, где вероятность обнаружить электроны выше, плотность больше. Это представление помогает объяснить смещение общей пары и появление частичных зарядов.

Как это устроено

При образовании ковалентной связи каждый атом предоставляет электрон для общей пары. Электроны притягиваются к положительно заряженным ядрам обоих атомов, поэтому общая пара удерживает их рядом. Связь возникает не потому, что один атом просто отдаёт электрон другому, а потому, что пара принадлежит обоим атомам. Такое общее использование электронов характерно для ковалентной связи.

Но ядра связанных атомов могут притягивать общие электроны неодинаково. Если электроотрицательность одного атома выше, он сильнее притягивает электронную пару. Поэтому облако общей пары смещается в его сторону, хотя остаётся общим для двух атомов. Чем больше различие электроотрицательностей, тем заметнее это смещение.

Из-за смещения электронной плотности атомы получают частичные заряды. У атома, к которому сместились электроны, появляется δ−, потому что около него становится больше отрицательного заряда. У второго атома возникает δ+, так как электронная плотность около него уменьшается. Заряды называют частичными, поскольку электронная пара не переходит целиком к одному атому.

Направление полярности принято обозначать стрелкой в сторону атома с δ−. Например, в связи H—Cl хлор более электроотрицателен, чем водород, поэтому запись показывает смещение от H к Cl: Hδ+ → Clδ−. Стрелка указывает направление смещения электронной плотности, а не движение атомов. Если записать одну только связь H—Cl, знаки зарядов помогают сразу увидеть, какой конец связи частично отрицателен.

У одинаковых атомов электроотрицательности равны, поэтому они одинаково притягивают общую пару. Так происходит в H—H: электронная плотность распределена примерно поровну, связь неполярна. В H—Cl хлор притягивает пару сильнее, поэтому связь полярна. Если электроотрицательности близки, смещение мало; при более заметной разнице полярность связи выражена сильнее.

Сравнение ковалентной неполярной и полярной связей

Сначала посмотрите, одинаковы ли атомы и насколько различается их электроотрицательность. Затем определите, равномерно ли распределена общая пара и появляются ли частичные заряды. По этим признакам можно не только назвать вид связи, но и указать направление её полярности.

Разбор задач

Задача 1. Определите, полярна ли связь H—H, и объясните ответ через электроотрицательность атомов.

1. Сравним атомы, образующие связь: это два одинаковых атома водорода.
2. Одинаковые атомы имеют одинаковую электроотрицательность, поэтому ни один из них не притягивает общую пару сильнее другого.
3. Электронная плотность распределяется между атомами примерно поровну, частичные заряды не возникают.

Ответ: связь H—H ковалентная неполярная. Равные электроотрицательности не вызывают смещения общей электронной пары.

Задача 2. Для связи H—Cl укажите, к какому атому смещена общая электронная пара, и обозначьте частичные заряды.

1. Сравним электроотрицательности водорода и хлора: хлор сильнее притягивает общую пару.
2. Значит, электронная плотность смещена к Cl, но пара остаётся общей для обоих атомов.
3. Поставим δ− у хлора, а δ+ у водорода. Стрелку полярности направим от H к Cl.

Ответ: Hδ+ → Clδ−. Общая электронная пара смещена к атому хлора.

Задача 3. Сравните связи H—Cl и O—H по полярности, используя значения электроотрицательности из таблицы учебника.

1. В таблице найдите электроотрицательности H, Cl и O. Для каждой связи вычтите меньшее значение из большего: получите разность для H—Cl и для O—H.
2. Сопоставьте полученные разности. Более крупная разность означает, что атомы сильнее отличаются по притяжению общей пары.
3. Установите направление смещения: в H—Cl пара смещена к Cl, а в O—H — к O. Сравните разности, а не названия атомов или длину записи связи.

Ответ: более полярна та из двух связей, для которой разность электроотрицательностей больше. Чтобы назвать её, подставьте значения из таблицы учебника; в обеих связях δ− будет у более электроотрицательного атома.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при полярной связи общая электронная пара целиком переходит к одному атому. Так можно подумать, потому что электронная плотность заметно смещается. Но при ковалентной связи пара остаётся общей; проверьте себя вопросом, не подменили ли вы смещение переносом электрона.

Ошибка — поставить δ− у менее электроотрицательного атома. Её допускают, если перепутать направление стрелки или не сравнить атомы. Сначала установите, какой атом сильнее притягивает общую пару: именно у него будет δ−, а у другого — δ+.

Ошибка — принять частичный заряд δ за полный ионный заряд. Знак похож на обозначение заряда и потому может сбивать с толку. Проверьте, говорится ли о переходе целых электронов: δ показывает лишь неодинаковое распределение электронной плотности, а не образование ионов.

Ошибка — считать, что полярная связь обязательно делает полярной всю молекулу. Здесь смешивают свойства отдельной связи и всей молекулы. Чтобы проверить вывод, нужно учитывать не только связи, но и расположение атомов: строение молекулы тоже влияет на её общую полярность.

Связь с другими темами

Для понимания полярной связи нужны знания о строении атома и об общей электронной паре, знакомой по ковалентной неполярной связи. Электроотрицательность позволяет сравнивать связи и объяснять, как в молекуле распределяются заряды. Эти знания пригодятся при изучении строения молекул, химической связи и свойств веществ. По полярности связей можно сделать вывод о распределении электронной плотности, но для свойств всей молекулы важно учитывать и её строение.

Что запомнить

• Ковалентная полярная связь образуется общей электронной парой.
• Общая пара смещена к более электроотрицательному атому.
• У более электроотрицательного атома возникает частичный заряд δ−.
• У второго атома возникает частичный заряд δ+.
• Стрелка полярности направлена к атому с частичным зарядом δ−.
• Чем заметнее различие электроотрицательностей, тем сильнее смещение электронной плотности.