§ 11. Взаимодействие атомов элементов-неметаллов между собой

Определения и обозначения

Ковалентная связь — связь между атомами неметаллов, возникающая благодаря общим электронным парам. Атомы используют свои внешние электроны совместно, поэтому эта связь соединяет их в молекулу. Понятие помогает объяснить, как устроены многие простые и сложные вещества.

Общая электронная пара — два электрона, которые одновременно относятся к двум связанным атомам. Их обычно изображают между символами атомов или заменяют чертой в структурной формуле. Именно такие пары образуют ковалентные связи, поэтому их считают при определении кратности связи.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между одинаковыми атомами равномерно. Каждый атом притягивает её примерно с одинаковой силой. Это понятие позволяет отличать молекулы вроде H₂ и Cl₂ от молекул с полярными связями.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из атомов. Он сильнее притягивает электроны, поэтому распределение пары становится неравномерным. Понятие нужно, чтобы описывать строение молекул разных элементов, например HCl.

Как это устроено

У атомов неметаллов на внешнем уровне часто не хватает электронов для устойчивой оболочки. При сближении атомы могут объединить некоторые из своих электронов в общие пары, не передавая их полностью друг другу. Каждая пара притягивается ядрами обоих атомов и удерживает их вместе. Поэтому образование общих пар помогает атомам достичь более устойчивого состояния.

Атомы могут предоставить для совместного использования разное число электронов, а значит, образовать между собой разное число общих пар. Одна пара даёт одинарную связь, две пары — двойную, три — тройную. Например, между атомами в O₂ две общие пары, а в N₂ — три. Кратность относится к связи между конкретной парой атомов, а не к общему числу атомов в молекуле.

Если соединяются одинаковые атомы, их ядра одинаково притягивают общие электроны, поэтому пара распределяется равномерно и связь неполярна. У разных атомов притяжение может отличаться, и тогда пара смещается к одному из них. Насколько заметно это смещение, зависит от различия в способности атомов притягивать электроны. Поэтому связи между разными элементами могут быть полярными, но это нельзя определить только по тому, что атомы разные.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе электроны в химической связи. Сравнивая её у двух атомов, можно предсказать направление смещения: общая пара тяготеет к атому с большей электроотрицательностью. Например, в HCl она смещена к хлору. Чем заметнее различие электроотрицательностей, тем сильнее выражена полярность связи.

В электронной формуле общие пары показывают точками между символами атомов, а неподелённые пары — точками около одного атома. Неподелённая пара не соединяет атомы и поэтому не считается связью. В структурной формуле каждую общую пару заменяют чертой: H—H означает одну связь, а H—O—H показывает две связи кислорода с водородом. Такие записи используют и для простых веществ, например Cl—Cl, и для сложных, например H—O—H.

Сравнение ковалентных связей

Сначала посмотри, какие атомы соединены, затем сравни их способность притягивать общие электроны. Одинаковые атомы образуют неполярную связь, а у разных проверь электроотрицательность. Таблица помогает описать распределение пары, но сама по себе не показывает число общих пар.

Разбор задач

Молекула водорода H₂

Условие: изобразите электронную и структурную формулы H₂ и укажите число общих пар. Водород имеет один электрон на внешнем уровне. Нужно понять, как два атома используют электроны совместно и как обозначить возникшую связь.

1. У каждого атома H есть по одному электрону, и при сближении они образуют одну общую пару.
2. В электронной формуле запишите H:H: двоеточие между символами показывает общую пару.
3. В структурной формуле замените пару чертой, получив H—H. Одна черта соответствует одной общей паре.

Ответ: электронная формула H:H, структурная формула H—H; между атомами одна общая электронная пара, связь одинарная и неполярная.

Молекула воды H₂O

Условие: составьте электронную и структурную формулы воды по числу электронов на внешнем уровне. У кислорода шесть внешних электронов, у каждого атома водорода — один. Разберём, сколько электронов кислород использует для связей и какие пары остаются неподелёнными.

1. Для завершения внешнего уровня кислороду нужны ещё два электрона, поэтому он образует по одной общей паре с каждым из двух атомов водорода.
2. В электронной формуле покажите две пары между O и H, а около O — две неподелённые пары: H:O:H, дополнив символ O двумя парами точек.
3. В структурной формуле общие пары замените чертами: H—O—H. Неподелённые пары в структурной формуле связями не становятся.

Ответ: у кислорода две связи O—H и две неподелённые электронные пары; у каждого водорода по одной связи.

Сравнение Cl₂ и HCl

Условие: определите, какая связь полярная, и укажите направление смещения пары. В молекуле Cl₂ связаны два одинаковых атома хлора, а в HCl — атомы водорода и хлора. Сравним притяжение общей пары атомами, а не только их названия.

1. В Cl₂ атомы одинаковы и притягивают общую пару одинаково; значит, распределение равномерное.
2. В HCl хлор электроотрицательнее водорода и сильнее притягивает общие электроны.
3. Укажем смещение пары в HCl к Cl; связь Cl₂ отметим как неполярную, а HCl — как полярную.

Ответ: связь в Cl₂ неполярная, в HCl — полярная; общая электронная пара в HCl смещена к атому хлора.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что общая электронная пара принадлежит только одному атому. Так думают, потому что в полярной связи пара смещена к одному из атомов; однако смещение не означает передачу пары. Проверь себя: если пара связывает два атома, она общая, даже когда распределена неравномерно.

Можно перепутать число связей с числом атомов в молекуле. Число атомов показывает состав молекулы, а кратность — сколько общих пар находится между конкретными атомами. Для проверки посчитай пары именно между этой парой атомов: одна, две или три.

Неверно утверждать, что любая связь между разными атомами полярная. Различие элементов само по себе ещё не показывает, насколько неодинаково они притягивают общую пару. Сравни электроотрицательности и оцени смещение; если атомы одинаковы, связь неполярна.

Неподелённые пары иногда принимают за общие, особенно когда на электронной формуле много точек. Общая пара находится между символами двух атомов, а неподелённая расположена около одного символа. Перед подсчётом связей проверь, участвуют ли оба атома в каждой паре.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить образование общих пар, нужно знать строение атома, распределение электронов по оболочкам и число электронов на внешнем уровне. Эти сведения помогают понять, сколько связей может образовать атом. Электроотрицательность связывает строение связи с её полярностью и свойствами вещества. Представления о ковалентной связи пригодятся при изучении строения молекул, химических формул и свойств веществ.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар.
• Общая электронная пара связывает два атома.
• Одна общая пара соответствует одинарной связи, две — двойной, три — тройной.
• Между одинаковыми атомами связь неполярная.
• В полярной связи общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.