§ 6. Химическая связь

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие между атомами, обусловленное притяжением ядер к электронам. При возникновении связи система обычно переходит в состояние с меньшей энергией и становится устойчивее. Это помогает объяснить, почему атомы объединяются в молекулы или соединения, а не всегда существуют отдельно.

Ковалентная связь — связь, возникающая за счёт общих электронных пар. Такая пара — два электрона, принадлежащие обоим связанным атомам и находящиеся в области перекрывания их электронных облаков. Понятие общей пары позволяет описывать, как именно атомы удерживаются вместе в молекулах.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны. Сравнив электроотрицательности связанных атомов, можно оценить, насколько равномерно распределена пара. Если значения близки, связь обычно неполярная; заметное различие указывает на полярную связь.

Ионная связь — электростатическое притяжение разноимённо заряженных ионов. Ионы возникают, когда один атом передаёт электрон другому: первый становится положительным, второй — отрицательным. Это определение помогает отличить ионное взаимодействие от ковалентной связи, в которой электроны образуют общую пару.

Как это устроено

Когда атомы сближаются, взаимодействуют не только их ядра, но и электронные оболочки. При определённом расстоянии притяжение ядер к электронам может перевесить отталкивание ядер друг от друга и электронов между собой. В результате энергия системы становится ниже, чем у раздельных атомов, и возникает устойчивое расстояние между ними. Если сблизить атомы слишком сильно, отталкивание резко возрастёт, поэтому энергия снова повысится.

В ковалентной связи атомы обобществляют электроны: их облака перекрываются, а общая электронная пара притягивается к обоим ядрам. Это притяжение удерживает атомы рядом. В молекуле H₂ каждый атом водорода вносит по одному электрону, и между ними образуется одна общая пара. В молекуле Cl₂ атомы хлора также образуют общую пару, хотя у каждого остаются и другие, неподелённые пары.

Если электроотрицательности атомов одинаковы или близки, оба ядра притягивают общую пару примерно одинаково. Так возникает неполярная ковалентная связь, например H—H. При различии электроотрицательностей электронная плотность смещается к атому, который сильнее притягивает электроны. На нём появляется частичный отрицательный заряд δ−, а на другом — частичный положительный заряд δ+; такие заряды не равны полным зарядам ионов.

Ионная связь формируется через передачу электронов. Например, атом натрия отдаёт внешний электрон атому хлора: натрий превращается в Na⁺, а хлор — в Cl⁻. После передачи электронов оба иона имеют более устойчивые электронные оболочки, а притяжение противоположных зарядов связывает их. В твёрдом NaCl частицы обычно выстраиваются в общую кристаллическую решётку, а не образуют отдельные пары-молекулы.

Различие между ковалентной и ионной связью связано с распределением электронной плотности. При ковалентной связи электроны остаются общими, хотя в полярном случае и смещаются; при ионной связь описывают как притяжение образовавшихся ионов. Между этими случаями нет абсолютно резкой границы: чем сильнее смещение электронов к одному атому, тем больше ионный характер связи. Поэтому тип связи полезнее понимать как модель, которая объясняет преобладающий способ взаимодействия.

Сравнение видов химической связи

Пользуйтесь таблицей, начиная с того, какие частицы взаимодействуют и что происходит с электронами. Если электронная пара общая, сравните электроотрицательности: это покажет, полярна ли ковалентная связь. Если электрон переходит к другому атому и возникают ионы, связь относят к ионной.

Разбор задач

Задача 1. Изобразите электронную формулу молекулы H₂ и укажите, за счёт чего образуется связь.

1. У каждого атома водорода есть один электрон на внешнем энергетическом уровне. Чтобы устойчиво удерживаться вместе, атомы используют оба электрона как общую пару.
2. Обозначим каждый атом символом H, а общую пару — двумя точками между символами. Электронная формула: H:H; её также записывают как H—H, где черта обозначает одну общую пару.
3. Проверим смысл записи: электроны не передаются полностью одному атому, а находятся в общей области между ядрами. Поэтому связь ковалентная и неполярная.

Ответ: H:H (или H—H); связь образуется благодаря общей электронной паре двух атомов водорода.

Задача 2. Определите, полярна ли связь H—Cl, и укажите, к какому атому смещена общая электронная пара.

1. Сначала выясним, одинаково ли атомы притягивают общие электроны. Хлор электроотрицательнее водорода, поэтому притягивает электронную пару сильнее.
2. Общая пара остаётся общей для обоих атомов, но электронная плотность смещается к Cl. Это означает, что связь ковалентная, а не ионная: полной передачи электрона здесь не предполагается.
3. Условно обозначим частичные заряды: Hδ+—Clδ−. Знак δ показывает, что заряды частичные, а не такие полные заряды, как у ионов.

Ответ: связь H—Cl полярная ковалентная; общая электронная пара смещена к атому хлора.

Задача 3. Объясните образование связи в NaCl через строение атомов натрия и хлора и изобразите образующиеся частицы.

1. У атома натрия один электрон на внешнем уровне, а атому хлора не хватает одного электрона до заполнения внешнего уровня. Поэтому натрий может отдать этот электрон хлору.
2. После передачи электронов натрий становится положительным ионом Na⁺, а хлор — отрицательным ионом Cl⁻. Схематично процесс записывают так: Na → Na⁺ + e⁻; Cl + e⁻ → Cl⁻.
3. Проверим, что удерживает частицы: Na⁺ и Cl⁻ имеют противоположные заряды и притягиваются. В веществе такие ионы образуют кристаллическую решётку, а запись NaCl показывает соотношение частиц, а не отдельную молекулу.

Ответ: при передаче электрона образуются Na⁺ и Cl⁻; их электростатическое притяжение обусловливает ионную связь.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что для появления ковалентной связи атомам достаточно просто сблизиться. Так думают, потому что в формуле связь часто изображена одной чертой, но черта обозначает общую электронную пару, а не само расстояние между атомами. Связь становится устойчивой, когда взаимодействие электронов и ядер снижает энергию системы. Проверка: назовите, какие электроны стали общими и чем пара притягивается к ядрам.

Ошибка — называть любую ковалентную связь неполярной. Общая пара может быть смещена, если атомы по-разному притягивают электроны; это легко упустить, если смотреть только на наличие общей пары. Сравните электроотрицательности: при их различии связь обычно полярная. Проверка: укажите, к какому атому должна смещаться электронная плотность.

Ошибка — смешивать полярную ковалентную и ионную связи. В обоих случаях распределение электронов неравномерно, поэтому внешне они могут казаться похожими, но в полярной связи электроны остаются общей парой, а в ионной рассматривают возникновение и притяжение ионов. Проверка: уточните, была ли передача электрона полной или речь идёт только о смещении общей пары.

Ошибка — представлять ионное соединение как отдельные молекулы, каждая из которых состоит из двух ионов. Такая запись удобна для показа состава, но в твёрдом веществе множество ионов формируют кристаллическую решётку. Проверка: различайте формулу NaCl, указывающую соотношение ионов, и частицу-молекулу. Для ионных кристаллов правильнее говорить о составе решётки.

Связь с другими темами

Чтобы понять химическую связь, нужно знать строение атома, электронные оболочки и валентные электроны: именно они участвуют в образовании связей. Представление о периодических закономерностях помогает сравнивать электроотрицательность атомов и оценивать полярность связи. Это позволяет объяснять различия между веществами, а не только запоминать их формулы.

Знание типов связи понадобится при изучении строения молекул и кристаллических решёток, а также свойств веществ. Оно помогает понять, почему одни вещества существуют в виде молекул, а другие образуют ионные кристаллы. Связи перестраиваются и во время химических реакций, поэтому их рассмотрение помогает объяснять превращения веществ.

Что запомнить

• Образование химической связи обычно сопровождается уменьшением энергии системы.
• Ковалентная связь основана на общих электронных парах.
• При неполярной ковалентной связи общая электронная пара распределена примерно поровну.
• При полярной ковалентной связи общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Ионная связь обусловлена притяжением разноимённо заряженных ионов.
• Между ковалентной и ионной связью нет абсолютно резкой границы.