§ 44. Ковалентная связь атомов при образовании молекул простых веществ

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, возникающая благодаря общим электронным парам. Она удерживает атомы рядом друг с другом и объединяет их в молекулу. Благодаря такой связи атомы могут получить более устойчивую внешнюю электронную оболочку.

Общая электронная пара — два электрона, принадлежащие одновременно двум связанным атомам. Оба атома притягивают эту пару, поэтому она не просто находится между ними, а помогает удерживать их вместе. В электронной формуле пару изображают двумя точками между символами атомов.

Неполярная ковалентная связь — связь, при которой связанные атомы одинаково или почти одинаково притягивают общую электронную пару. В простых веществах, например H₂, O₂ и N₂, связаны одинаковые атомы, поэтому притяжение электронов с обеих сторон одинаковое. Общая пара не смещается преимущественно к одному атому.

Кратность ковалентной связи — число общих электронных пар между атомами. Одна пара образует одинарную связь, две — двойную, три — тройную. В структурной формуле их обозначают соответственно одной, двумя или тремя чертами.

Как это устроено

У некоторых атомов на внешней оболочке есть неспаренные электроны — электроны, не составляющие пару с другим электроном. Когда такие атомы сближаются, их электронные облака перекрываются. Электроны могут образовать общую пару, потому что теперь они находятся в области, связанной сразу с обоими ядрами. Притяжение этой пары к двум ядрам и удерживает атомы вместе.

Образовавшаяся пара не закреплена только за тем атомом, от которого первоначально пришёл электрон: оба электрона участвуют в связи. Причина в том, что при перекрывании электронных облаков общая область принадлежит обоим атомам. Каждый из них притягивает находящиеся в ней электроны. В результате атомы приобретают более устойчивую внешнюю электронную оболочку, а молекула становится устойчивее, чем отдельные сблизившиеся атомы.

В молекуле простого вещества взаимодействуют атомы одного химического элемента. У одинаковых атомов одинаковое строение электронных оболочек, поэтому их способность притягивать общую пару одинакова. Электронная пара не смещается к одному из атомов, и связь называют неполярной ковалентной. Так устроены связи в молекулах H₂, O₂ и N₂.

Атомы могут образовать между собой разное число общих пар. В молекуле H₂ каждый атом водорода предоставляет по одному неспаренному электрону, поэтому появляется одна общая пара. В O₂ между атомами две общие пары, а в N₂ — три. Чем больше общих пар между одной и той же парой атомов, тем выше кратность связи: соответственно одинарная, двойная или тройная.

Разницу показывают двумя способами записи. В электронной формуле общие пары обозначают точками между символами атомов, а остальные электроны внешнего уровня можно показывать около символов. В структурной формуле точки заменяют чертами: H—H, O=O и N≡N. Одна черта означает одну общую электронную пару, поэтому число черт позволяет увидеть кратность связи.

Ковалентные связи в молекулах простых веществ

Сопоставляйте в таблице число пар и обозначение: кратность определяется числом общих электронных пар между двумя атомами. Черта в структурной записи соответствует одной паре. Поэтому запись с двумя атомами ещё не говорит, что связь обязательно одинарная.

Разбор задач

Задача 1. Изобразите образование молекулы H₂ с помощью электронных точек и структурной формулы.

Условие: нужно показать, как атомы водорода соединяются в молекулу. У каждого атома водорода один электрон на внешней оболочке, и этот электрон не образует пару внутри отдельного атома. Значит, при образовании связи каждый атом может внести по одному электрону.

1. Запишите символы атомов и отметьте по одному электрону: H· и ·H.
2. При сближении атомов их электроны образуют общую пару. В электронной записи покажите два электрона между символами: H:H.
3. Замените общую пару одной чертой, чтобы получить структурную формулу H—H.

Ответ: в молекуле H₂ одна общая электронная пара, а ковалентная связь одинарная. Один электрон пары предоставил каждый атом водорода. Черта в записи H—H обозначает эту пару.

Задача 2. Для молекулы O₂ определите число общих электронных пар и запишите электронную и структурную формулы.

Условие: требуется установить, сколько пар связывает два атома кислорода, и изобразить связь двумя способами. У атома кислорода на внешнем уровне шесть электронов, в том числе два неспаренных. Сопоставим неспаренные электроны двух атомов: каждый может участвовать в образовании общей пары.

1. У двух атомов кислорода вместе четыре неспаренных электрона, способных участвовать в связывании.
2. Четыре электрона образуют две общие пары между атомами. В электронной формуле эти пары можно показать двумя парами точек между O и O.
3. Замените каждую пару точек чертой. Получится структурная формула O=O.

Ответ: в O₂ две общие электронные пары, связь двойная. Электронная запись показывает две общие пары точками, структурная запись — двумя чертами O=O. Два атома в формуле не означают, что между ними только одна пара.

Задача 3. Сравните молекулы H₂, O₂ и N₂: укажите число общих пар, кратность связи и объясните различия.

Условие: нужно сравнить три простые молекулы, а не только сосчитать в них атомы. Для объяснения посмотрим, сколько неспаренных электронов может участвовать в образовании связи у атома каждого элемента. Водород имеет один такой электрон, кислород — два, азот — три.

1. В H₂ атомы водорода образуют одну общую пару: связь одинарная, H—H.
2. В O₂ два неспаренных электрона каждого атома участвуют в образовании двух общих пар: связь двойная, O=O.
3. В N₂ три неспаренных электрона каждого атома образуют три общие пары: связь тройная, N≡N.

Ответ: H₂ — одна пара и одинарная связь; O₂ — две пары и двойная связь; N₂ — три пары и тройная связь. Различие связано с электронным строением атомов и числом неспаренных электронов, участвующих в образовании общих пар. Во всех трёх молекулах связь неполярная, поскольку соединены одинаковые атомы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать общую электронную пару принадлежащей только одному атому. Так могут решить, если сосредоточиться на том, откуда пришёл электрон, но после образования связи пара общая: её притягивают оба ядра. Проверьте себя: в объяснении связи должны участвовать оба атома, а не только один.

Ошибка: путать число атомов в молекуле с кратностью связи. В записи O₂ действительно два атома, но между ними две общие пары, поэтому связь двойная. Проверяйте не число символов в формуле, а число пар или черт между атомами.

Ошибка: считать черту в структурной формуле разделителем между атомами. Черта не просто отделяет символы: она обозначает одну общую электронную пару. Чтобы проверить запись, сопоставьте черты с числом пар: одна черта — одна пара, две — две.

Ошибка: называть связь в молекулах простых веществ полярной. Иногда кажется, что общая пара обязательно должна быть смещена, однако одинаковые атомы притягивают её одинаково. Проверьте, одинаковы ли связанные атомы: если да, в рассматриваемых молекулах связь неполярная.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужны знания о строении атома, электронных оболочках и числе электронов на внешнем уровне. Именно внешние электроны участвуют в образовании общих пар, а сведения о неспаренных электронах помогают понять, сколько таких пар может возникнуть. Поэтому полезно сначала уметь представлять электронное строение атомов.

Представление об общей паре помогает разбирать молекулы сложных веществ, в которых соединены атомы разных элементов. Оно также помогает читать формулы и структурные записи, различать число атомов и кратность связи. Позже эти знания пригодятся, чтобы понимать строение молекул и объяснять свойства веществ.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар.
• Общая пара связывает два атома и принадлежит обоим.
• В молекулах простых веществ ковалентная связь обычно неполярная.
• Одна общая пара соответствует одинарной связи.
• Две общие пары образуют двойную связь, три — тройную.
• В структурной формуле общую пару обозначают чертой.