9. Взаимодействие атомов элементов-неметаллов между собой

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь между атомами неметаллов, возникающая за счёт общих электронных пар. Проще говоря, атомы удерживаются вместе благодаря электронам, которыми пользуются совместно. Это понятие нужно, чтобы объяснить строение многих молекул, например H₂ и H₂O.

Общая электронная пара — два электрона, одновременно принадлежащие двум связанным атомам. Каждый атом предоставляет для образования такой пары неспаренный электрон. Подсчёт общих пар помогает определить, сколько связей образовалось между атомами.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Если её значения у связанных атомов различаются, пара притягивается к одному из них сильнее. Это понятие помогает понять, будет ли связь полярной и в какую сторону сместятся электроны.

Ковалентная неполярная и полярная связь — два вида ковалентной связи, различающиеся распределением общей электронной пары. При неполярной связи пара распределена равномерно, а при полярной смещена к одному из атомов. Это различие показывает, одинаково ли атомы притягивают общие электроны.

Как это устроено

Атомы неметаллов объединяются, потому что их внешний электронный слой часто не заполнен. При образовании общей пары каждый из двух атомов может учитывать её электроны в своём внешнем слое. В результате атомы приближаются к более устойчивому состоянию с завершённым внешним слоем. Поэтому образование связи оказывается для них выгодным.

Обычно у атома неметалла есть неспаренные электроны — электроны, не образующие пару с другим электроном того же атома. Когда два таких атома сближаются, их неспаренные электроны образуют общую пару. Она притягивается к ядрам обоих атомов и удерживает их рядом. Так возникает ковалентная связь; сколько пар образовалось, столько связей и соединяет атомы.

На электронной формуле общую пару обозначают двумя точками между символами атомов, а на структурной — одной чертой. Например, H:H и H—H показывают одну общую пару в молекуле водорода. Две общие пары можно изобразить двумя чертами, три — тремя. Черта здесь заменяет два электрона, а не обозначает один электрон.

В молекуле простого вещества, например H₂ или Cl₂, связаны одинаковые атомы. Их электроотрицательность одинакова, поэтому каждый атом притягивает общую пару с одинаковой силой. Пара остаётся распределённой между атомами равномерно, и связь называют ковалентной неполярной. По этой же причине связи в O₂ неполярны.

Если связаны разные неметаллы, их электроотрицательности могут различаться. Более электроотрицательный атом сильнее притягивает общую пару, поэтому электронная плотность смещается в его сторону. На нём появляется частичный отрицательный заряд, а на другом атоме — частичный положительный. Такие заряды меньше полного заряда и обозначаются δ− и δ+; связь называют полярной.

Сравнение ковалентной неполярной и полярной связи

Сначала установи, одинаковы ли атомы и есть ли различие их электроотрицательностей. Затем проследи, распределена ли общая пара равномерно или смещена к одному из атомов. Таблица помогает определить именно полярность связи, а не заряд всей молекулы.

Разбор задач

1. H₂, Cl₂ и O₂

Условие: определить вид связи в H₂, Cl₂ и O₂ и изобразить электронные формулы молекул. Во всех трёх формулах соединены одинаковые атомы, поэтому их электроотрицательности совпадают. Число общих пар зависит от неспаренных электронов атомов: у H одна, у Cl одна, у O две. Запись показывает и число связей, и равномерность распределения электронов.

1. Определи пары атомов: H—H, Cl—Cl и O—O. В каждом случае электроотрицательности одинаковы.
2. Для H₂ и Cl₂ запиши по одной общей паре: H:H и Cl:Cl. Для O₂ запиши две общие пары: O::O.
3. Замени общие пары чертами, если нужна структурная формула: H—H, Cl—Cl и O=O. Во всех формулах связь неполярная.

Ответ: в H₂ и Cl₂ по одной неполярной ковалентной связи, в O₂ — две неполярные ковалентные связи. Электронные формулы: H:H, Cl:Cl, O::O. Двоеточие между атомами обозначает общую электронную пару, а в формуле O₂ их две.

2. HCl, H₂O и NH₃

Условие: составить электронные и структурные формулы молекул и определить число общих электронных пар. Сначала учитываем, сколько неспаренных электронов может участвовать в связях: у H один, у Cl один, у O два, у N три. Каждый неспаренный электрон атома образует пару с неспаренным электроном другого атома. Так устанавливаем число связей, не считая электроны, которые остаются неподелёнными.

1. В HCl один атом H образует одну общую пару с Cl: электронная формула H:Cl, структурная H—Cl. Общих пар — одна.
2. В H₂O атом O образует по одной общей паре с каждым из двух атомов H: H:O:H. Структурная формула H—O—H, общих пар — две.
3. В NH₃ атом N образует по одной общей паре с тремя атомами H: у N три связи N—H. Структурную формулу можно показать как N с тремя чертами к H; общих пар — три.

Ответ: HCl — одна общая пара и одна связь; H₂O — две пары и две связи; NH₃ — три пары и три связи. Электронные формулы показывают общие пары точками, структурные — чертами. В этих молекулах у O и N остаются также неподелённые электронные пары, но ковалентными связями они не являются.

3. Полярность H₂, HCl и Cl₂

Условие: сравнить полярность связей и указать, к какому атому смещена общая пара в HCl. Чтобы ответить, сравниваем не сами символы элементов, а способность соответствующих атомов притягивать электроны. В H₂ и Cl₂ связаны одинаковые атомы, поэтому распределение пары равномерное. В HCl атомы разные, и их электроотрицательности различаются.

1. Для H₂ отметь одинаковые атомы H: связь неполярная, смещения пары нет.
2. Для Cl₂ отметь одинаковые атомы Cl: связь также неполярная, смещения пары нет.
3. В HCl сравни электроотрицательности: хлор притягивает общую пару сильнее водорода. Направь стрелку смещения от H к Cl; на H возникает δ+, на Cl — δ−.

Ответ: связи в H₂ и Cl₂ неполярные, а связь H—Cl полярная. Общая электронная пара в HCl смещена к атому Cl. Частичные заряды показывают не передачу электронов целиком, а неравномерное распределение общей пары.

Типичные ошибки

Ошибка — называть любую связь между неметаллом и металлом ковалентной на основании этого параграфа. Здесь объясняется образование связи между атомами неметаллов, и этот вывод нельзя автоматически переносить на любые пары элементов. Так путают типы связи, потому что ориентируются только на присутствие неметалла. Для проверки определи оба элемента и пользуйся правилами, относящимися к их сочетанию.

Ошибка — думать, что при неполярной связи общая пара принадлежит лишь одному атому. В действительности она общая для обоих, просто распределена равномерно. Путаница возникает из-за того, что слово «неполярная» принимают за отсутствие связи или общей пары. Проверь себя: если между атомами есть общая пара, связь существует, а отсутствие смещения не отменяет её.

Ошибка — считать одну общую пару одним электроном. Пара состоит из двух электронов, но образует одну ковалентную связь. Так путают количество электронов с количеством электронных пар. При проверке сначала сгруппируй электроны попарно: одна группа из двух точек между атомами означает одну связь.

Ошибка — определять полярность только по тому, что символы атомов разные. Разные элементы не дают готового ответа: нужно выяснить, различается ли их электроотрицательность и куда смещена пара. Эту ошибку допускают, забывая, что полярность описывает распределение электронов. Для самопроверки сравни притяжение общей пары атомами и укажи направление смещения.

Связь с другими темами

Перед изучением ковалентной связи полезно вспомнить строение атома и внешний электронный слой. Нужно уметь различать неспаренные электроны, узнавать символы элементов и читать формулы простых веществ. Эти знания помогают понять, какие электроны участвуют в образовании общих пар.

Число ковалентных связей связано с валентностью и составлением химических формул. Подсчитав, сколько связей образует атом, можно определить, с каким числом других атомов он соединён в молекуле. Например, в H₂O атом кислорода связан с двумя атомами водорода.

Дальше представление об общих парах пригодится при изучении строения молекул и полярности веществ. Оно помогает объяснять некоторые физические свойства веществ и сравнивать типы химической связи. Электроотрицательность при этом служит подсказкой о распределении электронов внутри молекулы.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов за счёт общих электронных пар.
• Общая электронная пара состоит из двух электронов.
• Одна общая электронная пара соответствует одной ковалентной связи.
• В молекулах простых веществ неметаллов связь обычно неполярная.
• В полярной связи общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Электроотрицательность показывает способность атома притягивать общие электроны.
• Ковалентную связь изображают двумя точками или одной чертой между символами атомов.