§ 13. Ковалентная связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, возникающая за счёт общих электронных пар между атомами неметаллов, а также между некоторыми атомами в сложных частицах. Связанные атомы используют общие электроны одновременно. Это понятие помогает объяснить, почему атомы объединяются в молекулы.

Общая электронная пара — два электрона, принадлежащие одновременно двум связанным атомам и обеспечивающие их связь. Обычно пару изображают двумя точками между символами элементов или одной чертой. Именно число таких пар определяет кратность связи.

Неполярная ковалентная связь образуется между одинаковыми атомами, если общая электронная пара распределена симметрично. Ни один атом не притягивает её сильнее другого, поэтому частичные заряды не возникают. Примеры — связи H–H, O=O и N≡N.

Полярная ковалентная связь образуется между разными атомами, когда общая пара смещена к более электроотрицательному атому. Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны. Такое смещение обозначают частичными зарядами δ+ и δ−, а не знаками полного ионного заряда.

Как это устроено

У атомов внешнего уровня могут быть неспаренные электроны, то есть электроны, не образующие пары. Неспаренный электрон одного атома объединяется с неспаренным электроном другого, и возникает общая пара. Электроны при этом находятся между ядрами и притягиваются к обоим ядрам, поэтому атомы удерживаются рядом.

Образование общей пары снижает энергетически невыгодное состояние атомов и помогает им приблизиться к устойчивой конфигурации. Для многих элементов это октет — восемь электронов на внешнем уровне, а для водорода — дублет из двух электронов. Например, каждому атому H не хватает одного электрона до дублета, поэтому общая пара решает эту задачу для обоих атомов.

При обменном механизме каждый атом предоставляет в связь по одному неспаренному электрону. Так образуются, например, связи в H₂, Cl₂ и HCl. При донорно-акцепторном механизме донор предоставляет сразу оба электрона пары, а акцептор — свободное место, которое может принять эту пару; после образования связи она также становится общей.

В молекуле одинаковых атомов ядра имеют одинаковую способность притягивать электроны, поэтому пара располагается посередине. У разных атомов эта способность различна: более электроотрицательный атом сильнее притягивает электронную плотность. Поэтому у него появляется частичный отрицательный заряд δ−, а у второго атома — частичный положительный заряд δ+.

Одной общей паре соответствует одинарная связь, двум парам — двойная, трём — тройная. В электронной формуле пары показывают точками, а в структурной формуле каждую пару заменяют чертой. Так, H₂ записывают как H–H, O₂ — как O=O, а N₂ — как N≡N.

Виды ковалентной связи и способы её образования

Сначала определите, одинаковы ли атомы: это подсказывает, будет ли распределение пары симметричным. Затем сравните их электроотрицательности и найдите направление смещения пары. Последний шаг — подсчитать общие пары и записать их точками или чертами.

Разбор задач

Задача 1. Показать образование молекулы H₂ и записать её электронную и структурную формулы. У каждого атома водорода один электрон на внешнем уровне. Нужно выяснить, как эти электроны образуют устойчивую общую пару.

1. У каждого атома H имеется по одному неспаренному электрону.
2. Эти электроны объединяются в одну общую пару: H:H.
3. Оба атома используют пару и получают по два электрона, то есть дублет.
4. Атомы одинаковы, поэтому пара распределена симметрично.

Ответ: электронная формула — H:H, структурная формула — H–H. Связь одинарная и неполярная.

Задача 2. Определить тип связи в HCl и показать смещение пары. В молекуле участвуют разные атомы, поэтому нужно сравнить их электроотрицательности. Хлор притягивает общие электроны сильнее водорода.

1. Между H и Cl образуется одна общая электронная пара.
2. Пару смещают в сторону хлора: Hδ+–Clδ−.
3. Связь называют полярной ковалентной, потому что электрон не переходит полностью к хлору.

Ответ: в HCl одна полярная ковалентная связь. Частичный заряд δ− находится на Cl, а δ+ — на H.

Задача 3. Определить число и кратность связи в N₂ и O₂. У азота три неспаренных электрона, а у кислорода — два. Сначала по этому числу определяем количество общих пар, затем выбираем обозначение связи.

1. В N₂ атомы образуют три общие пары: N≡N.
2. В O₂ атомы образуют две общие пары: O=O.
3. Одинаковые атомы распределяют пары симметрично, поэтому обе связи неполярные.

Ответ: N₂ содержит одну тройную неполярную связь, а O₂ — одну двойную неполярную связь. Их электронные формулы показывают соответственно три и две пары точек между атомами.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать любую связь между неметаллами неполярной. Так делают, потому что оба элемента относятся к одной большой группе, но электроотрицательности могут различаться. Проверьте, одинаковы ли атомы и есть ли смещение общей пары.

Ошибка 2. Изображать общую пару как полностью принадлежащую одному атому. При полярной связи электронная плотность только смещается, а связь остаётся ковалентной. Проверьте себя: укажите δ− и δ+, а не полноценные заряды ионов.

Ошибка 3. Путать число электронов с кратностью связи. В одной общей паре два электрона, но это одна связь; две пары дают двойную, а три — тройную связь. При проверке считайте именно пары, а не отдельные электроны.

Ошибка 4. Не проверять внешний уровень после образования связи. Иногда формулу записывают, не выяснив, достигнут ли октет или дублет. Пересчитайте электроны вокруг каждого атома и убедитесь, что конфигурация стала устойчивой.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужны знания о строении атома, электронных оболочках и валентных электронах. Также важно уметь сравнивать электроотрицательность атомов. Эти сведения позволяют предсказывать направление смещения общей пары.

Ковалентная связь объясняет строение и свойства молекулярных веществ. От её полярности зависят полярность молекул, растворимость и особенности химических реакций. Поэтому по связи можно связать электронное строение вещества с его свойствами.

Дальше эти знания пригодятся при составлении химических формул и изучении органических веществ. Умение различать одинарные, двойные и тройные связи важно для изображения строения молекул. Механизмы образования связей также используются при объяснении реакций.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется общей электронной парой.
• Общая электронная пара принадлежит одновременно двум связанным атомам.
• В неполярной связи электронная пара распределена между атомами симметрично.
• В полярной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Одна, две и три общие электронные пары образуют соответственно одинарную, двойную и тройную связь.
• При образовании ковалентной связи атомы стремятся завершить внешний электронный уровень.