§ 12. Ковалентная полярная химическая связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — это связь, которая образуется общей электронной парой двух атомов. Каждый атом предоставляет электрон для образования этой пары, а затем оба атома используют её при построении внешней оболочки. Такое определение нужно, чтобы отличать ковалентную связь от связи, при которой электрон полностью переходит к другому атому.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны. Чем она больше, тем сильнее атом удерживает электронную пару около себя. Сравнение электроотрицательностей позволяет определить, будет ли пара распределена равномерно или сместится к одному из атомов.

Ковалентная полярная связь — это ковалентная связь, в которой общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью. Оба атома по-прежнему связаны одной общей парой, но электронная плотность около них становится неодинаковой. Поэтому такую связь называют полярной.

Частичные заряды обозначают символами δ− и δ+. Знак δ− ставят у атома, к которому сместилась общая пара, а δ+ — у атома, от которого она сместилась. Эти знаки показывают не появление настоящих ионов, а неравномерное распределение электронов.

Как это устроено

Атомы образуют ковалентную связь, когда используют общую электронную пару для заполнения внешнего электронного слоя. Упрощённо можно представить, что эта пара находится в оболочках обоих атомов одновременно. Благодаря ей каждый атом получает более устойчивое строение внешнего слоя, хотя электроны не становятся собственностью только одного атома.

У одинаковых атомов способность притягивать электроны одинакова, потому что у них одинаковая электроотрицательность. Поэтому общая пара находится примерно посередине между ядрами, а электронная плотность распределяется равномерно. Такая связь называется ковалентной неполярной: например, в молекуле H₂ оба атома водорода притягивают пару одинаково.

У разных атомов электроотрицательность обычно различается. Более электроотрицательный атом сильнее притягивает общую пару, поэтому она оказывается ближе к его ядру. Так возникает ковалентная полярная связь: пара всё ещё общая, но время пребывания электронов около атомов становится неодинаковым.

Смещение пары меняет распределение отрицательного заряда в молекуле. Около более электроотрицательного атома электронная плотность увеличивается, поэтому ему приписывают частичный заряд δ−. У другого атома электронная плотность уменьшается, и он получает обозначение δ+.

В формулах знак δ− ставят над атомом, к которому направлено смещение пары, а δ+ — над вторым атомом. Например, для хлороводорода запись можно представить так: Hδ+–Clδ−. Направление смещения показывают от δ+ к δ−, то есть в сторону более электроотрицательного атома.

Полярность не означает полного перехода электрона. При ионной связи атомы превращаются в ионы, а при полярной ковалентной связи одна электронная пара остаётся общей, только распределяется неравномерно. Поэтому различие электроотрицательностей помогает понять степень смещения, но само по себе не превращает любую связь между разными атомами в ионную.

Сравнение ковалентных связей по распределению общей электронной пары

Сначала определите, какие атомы соединены, а затем сравните их электроотрицательности. Если притяжение одинаковое, связь неполярная; если один атом притягивает пару сильнее, связь полярная. В последнем случае знак δ− ставят у более электроотрицательного атома.

Таблица показывает именно распределение общей электронной пары, а не просто состав вещества. Поэтому по одной только записи «разные атомы» нельзя сразу сделать вывод об ионной связи: нужно понять, остаётся ли пара общей и насколько сильно она смещена.

Разбор задач

Задача 1. Связь в молекуле H₂

Условие: определить, полярная или неполярная связь образуется между двумя атомами водорода в молекуле H₂. Нужно сравнить электроотрицательности этих атомов и выяснить, смещается ли общая электронная пара. Рассуждение основано не на количестве атомов, а на равенстве их способности притягивать электроны.

Решение:

1. В молекуле соединены два одинаковых атома водорода.
2. Их электроотрицательности одинаковы, поэтому ни один атом не притягивает общую пару сильнее другого.
3. Электронная пара располагается примерно посередине между ядрами и не смещается в определённую сторону.

Ответ: в H₂ образуется ковалентная неполярная связь. Частичные заряды δ+ и δ− не появляются, потому что распределение электронной плотности симметрично.

Задача 2. Смещение пары в HCl

Условие: для молекулы HCl указать, к какому атому смещена общая электронная пара, и обозначить частичные заряды. В молекуле соединены водород и хлор, поэтому их электроотрицательности нужно сравнить. Затем направление смещения связывают с расположением δ+ и δ−.

Решение:

1. Хлор обладает большей электроотрицательностью, чем водород, поэтому сильнее притягивает общую электронную пару.
2. Пара смещается от атома водорода в сторону атома хлора.
3. У хлора ставят δ−, а у водорода — δ+, поэтому запись имеет вид Hδ+–Clδ−.

Ответ: связь H–Cl ковалентная полярная. Общая электронная пара смещена к хлору; водород имеет δ+, а хлор — δ−.

Задача 3. Сравнение связей H–H, H–Cl и Cl–Cl

Условие: среди связей H–H, H–Cl и Cl–Cl определить полярную связь, объяснить выбор и показать направление смещения пары. Для этого каждую пару атомов рассматривают отдельно. Важно не переносить вывод об одной связи на другую без сравнения электроотрицательностей.

Решение:

1. В H–H соединены одинаковые атомы водорода, поэтому связь неполярная и смещения нет.
2. В H–Cl хлор электроотрицательнее водорода, поэтому связь полярная, а пара смещена к Cl: Hδ+–Clδ−.
3. В Cl–Cl атомы одинаковы, поэтому связь неполярная и частичные заряды не возникают.

Ответ: полярной является только связь H–Cl. Связи H–H и Cl–Cl неполярные, а в H–Cl направление смещения идёт от H к Cl.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать, что при полярной связи электронная пара полностью переходит к одному атому. Так путают смещение общей пары с образованием ионов. Проверьте себя: если пара остаётся общей, речь идёт о ковалентной связи, даже при наличии δ− и δ+.

Ошибка 2: ставить δ− у атома с меньшей электроотрицательностью. Такая ошибка возникает, если запомнить знаки отдельно от причины их появления. Сначала найдите атом, который сильнее притягивает электроны, и только затем поставьте возле него δ−.

Ошибка 3: принимать частичные заряды за полные заряды ионов. Символ δ показывает неполное, неравномерное распределение электронной плотности, а не потерю или получение целого электрона. Проверка проста: при полярной связи общая электронная пара не исчезает и не переходит полностью.

Ошибка 4: считать любую связь между разными атомами ионной. Разные атомы могут образовать ковалентную полярную связь, если электроны остаются общей парой. Определяйте тип связи по распределению электронов, а не только по различию химических элементов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и его электронной оболочке. Также важно представлять, как атомы образуют общую электронную пару. Без этого трудно понять, почему связь сохраняется общей.

При решении задач пригодится умение сравнивать электроотрицательность атомов и читать формулы веществ. По формуле можно установить состав молекулы, а по электроотрицательности — направление смещения электронной пары.

Полярность связи связана со строением молекул и их свойствами. Позже это поможет объяснять химическое поведение веществ и взаимодействия между молекулами.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется общей электронной парой.
• В неполярной ковалентной связи общая пара распределена примерно равномерно.
• В полярной ковалентной связи общая пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Атом, к которому смещена пара, обозначают δ−, другой атом — δ+.
• Частичные заряды не являются полными зарядами ионов.
• Полярная ковалентная связь отличается от ионной тем, что электронная пара остаётся общей.