§ 45. Виды ковалентной связи и её свойства

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, образованная общей электронной парой, то есть двумя электронами, которые относятся сразу к двум атомам. В электронной формуле эту пару изображают двумя точками между символами атомов, например H:H, или одной чертой: H–H. Черта удобна тем, что сразу показывает связь, а точки помогают увидеть, сколько электронов в ней участвует.

Неполярная ковалентная связь — связь между одинаковыми атомами, в которой общая электронная пара распределена симметрично. Каждый атом притягивает пару примерно одинаково, поэтому на них не выделяют частичные заряды. Такой термин помогает отличить связь, например, в H₂ от связи между атомами с неодинаковым притяжением электронов.

Полярная ковалентная связь — связь между разными атомами, в которой общая электронная пара смещена к одному из них. Обычно сильнее притягивает её более электроотрицательный атом. Понятие полярности показывает, где в связи электронная плотность выше, и помогает объяснять различия между атомами внутри молекулы.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общую электронную пару. Сравнение электроотрицательностей связанных атомов позволяет определить, будет ли пара смещена и в какую сторону. Чем заметнее различие в притяжении, тем сильнее выражена полярность связи; при одинаковых атомах смещения нет.

Как это устроено

Когда электронные облака валентных электронов перекрываются, между ядрами появляется область, в которой находятся общие электроны. Отрицательно заряженная электронная пара притягивается к обоим положительно заряженным ядрам и помогает удерживать атомы рядом. Система становится устойчивее, если притяжение электронов к ядрам уравновешивает отталкивание ядер и электронов. Поэтому образование общей пары связывает атомы, а не просто обозначает их соседство.

При обменном механизме каждый атом предоставляет в общую пару по одному электрону. Например, в H₂ каждый атом водорода приносит один электрон, и вместе они образуют пару, принадлежащую обоим атомам. При донорно-акцепторном механизме оба электрона уже находятся у одного атома-донора, а другой атом-акцептор предоставляет место для этой пары. После образования связи пара также становится общей, хотя исходно её оба электрона дал только донор.

В молекуле из одинаковых атомов их ядра притягивают общую пару с одинаковой силой. Поэтому электронная плотность распределяется примерно поровну, как в H₂ или Cl₂, и связь неполярна. У разных атомов притяжение может отличаться: более электроотрицательный атом сильнее притягивает электроны. Из-за этого общая пара чаще находится возле него, и связь становится полярной.

Частичные заряды показывают не передачу электронов, а небольшое неравномерное распределение общей пары. Более электроотрицательный атом обозначают δ−, менее электроотрицательный — δ+, например Hδ+–Clδ−. Направление смещения всегда указывает к δ−, потому что этот атом сильнее притягивает общие электроны. В отличие от ионной связи, электроны при этом не переходят целиком от одного атома к другому.

Ковалентная связь направленна: её прочность зависит от того, как именно перекрываются электронные облака, поэтому связь располагается в определённом направлении. Она насыщаема, потому что у каждого атома ограничены число валентных электронов и возможности образовывать общие пары. Такие связи могут соединять атомы в отдельные молекулы, а молекулы — образовывать молекулярные кристаллы. Если ковалентные связи создают непрерывную сеть атомов, получается атомное кристаллическое строение.

Сравнение неполярной и полярной ковалентной связи

Сначала определите, какие атомы соединены, затем сравните их электроотрицательность и установите, куда смещена пара. Заряды δ+ и δ− ставьте только для полярной связи. Донорно-акцепторный механизм описывает способ образования общей пары, а не отдельный вид связи по полярности.

Разбор задач

Задача 1. Определить вид ковалентной связи в молекулах H₂, Cl₂ и HCl и указать направление смещения общей электронной пары. Решение удобно начинать с проверки, одинаковы ли соединённые атомы, а затем сравнить их притяжение к электронам. Так можно не угадывать вид связи только по формуле.

1. В H₂ соединены два одинаковых атома водорода. Они притягивают общую пару одинаково, поэтому связь неполярная и смещения нет.
2. В Cl₂ соединены одинаковые атомы хлора. Пара тоже распределена симметрично, связь неполярная, направление смещения не указывают.
3. В HCl атомы разные, причём хлор электроотрицательнее водорода. Значит, связь полярная, а пара смещена от H к Cl; обозначение частичных зарядов — Hδ+–Clδ−.

Ответ: H₂ и Cl₂ имеют неполярные связи; в HCl связь полярная, общая пара смещена к хлору. В H₂O связь O–H полярная, так как кислород электроотрицательнее водорода. В молекуле H₂O связи расположены под углом, поэтому их смещения не компенсируются, и вся молекула полярна.

Задача 2. Рассмотреть строение H₂O, NH₃ и CO₂: определить полярность каждой связи и выяснить, является ли молекула в целом полярной. Важно разделить два вопроса: свойства отдельных связей и результат сложения их направлений в молекуле. Даже если связи полярные, их влияние на молекулу может взаимно уравновеситься.

1. В H₂O связи O–H полярны: электронные пары смещены к кислороду. Из-за углового строения молекулы направления смещения не противоположны, поэтому молекула полярна.
2. В NH₃ связи N–H полярны, пары смещены к азоту. Строение молекулы не симметрично относительно всех направлений этих связей, поэтому их эффекты не компенсируются и NH₃ полярна.
3. В CO₂ каждая связь C=O полярна и направлена к кислороду. Молекула линейная, а две одинаковые связи направлены в противоположные стороны, поэтому смещения компенсируются.

Ответ: Связи полярны во всех трёх веществах; H₂O и NH₃ — полярные молекулы, а CO₂ — неполярная молекула. Вывод о молекуле нельзя делать только по наличию полярной связи: нужно учитывать расположение всех связей.

Задача 3. Объяснить образование иона NH₄⁺ по реакции NH₃ + H⁺ → NH₄⁺, указав донор, акцептор и механизм образования связи. Чтобы определить участников, найдите частицу с готовой неподелённой парой электронов и частицу, которая может эту пару принять. Это позволяет объяснить, откуда берутся оба электрона новой связи.

1. В молекуле NH₃ у атома азота есть неподелённая пара — два электрона, не участвующие в связях N–H.
2. Ион H⁺ не имеет электронов и может принять электронную пару. Поэтому NH₃ выступает донором, а H⁺ — акцептором.
3. Азот предоставляет оба электрона неподелённой пары для связи с H⁺. Это донорно-акцепторный механизм, в результате которого образуется ион NH₄⁺.

Ответ: Донор — молекула NH₃, точнее атом азота; акцептор — H⁺. Новая связь образуется за счёт пары, которую предоставил азот, а после образования связи она становится общей.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую связь между разными неметаллами неполярной. Такое заключение возникает, если смотреть только на то, что оба атома относятся к неметаллам, и не сравнивать их электроотрицательность. Проверьте, одинаково ли атомы притягивают общую пару: если нет, она смещается и связь полярна. Например, в HCl атомы разные, и пара смещена к хлору.

Донорно-акцепторную связь иногда называют отдельным видом по полярности. Причина путаницы в том, что её образование отличается от обменного механизма. Но механизм отвечает на вопрос, кто предоставил электроны, а деление на полярную и неполярную связь — на вопрос, как распределена общая пара. Чтобы проверить себя, отдельно назовите механизм образования и отдельно определите полярность.

Наличие полярных связей не всегда означает, что полярна вся молекула. Ошибка появляется, если не учитывать форму молекулы и направления связей. Сравните смещения: если они взаимно компенсируются, молекула неполярна, как линейная CO₂. Если компенсации нет, как в H₂O, молекула полярна.

Общую пару в полярной связи иногда изображают так, будто она полностью перешла к одному атому. Так путают ковалентную связь с ионной, где электроны переходят от одного атома к другому. В полярной ковалентной связи пара остаётся общей, лишь смещается к более электроотрицательному атому. Проверьте обозначения: δ+ и δ− показывают частичные, а не полные заряды.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать ковалентные связи, нужно знать строение атома, валентные электроны и электронные формулы: без них трудно понять, откуда берутся общие пары. Понятие электроотрицательности помогает определить полярность и направление смещения электронов. Эти знания связывают формулу вещества с валентностью атомов и строением молекул, а также помогают отличать молекулярные вещества от веществ с атомным кристаллическим строением.

Дальше представления о распределении электронов пригодятся при изучении степеней окисления и межмолекулярного взаимодействия. Они помогают объяснять, почему вещества по-разному растворяются и проявляют химические свойства. При этом полярность молекул и взаимодействие между ними нужно отличать от свойств отдельной связи внутри молекулы.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется общей электронной парой.
• При обменном механизме каждый атом предоставляет по одному электрону.
• При донорно-акцепторном механизме оба электрона общей пары предоставляет один атом.
• В неполярной связи электронная пара распределена симметрично.
• В полярной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Ковалентная связь направленна и насыщаема.
• Полярность отдельных связей не всегда означает полярность всей молекулы.