§ 9. Химическая связь и ее виды

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие, удерживающее атомы или частицы вместе. Оно возникает, когда объединённое состояние оказывается энергетически выгоднее раздельного. Это понятие помогает объяснять, почему атомы образуют устойчивые молекулы и кристаллы.

Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар, принадлежащих двум связанным атомам. При одинаковом или близком притяжении электронов связь неполярная; при неравном — полярная, поскольку электронная плотность смещена к одному из атомов. По этому признаку описывают распределение электронов в молекулах.

Ионная связь — электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов. Обычно она возникает при значительной разности электроотрицательностей элементов: электронная плотность сильно смещается к одному из них. Такое определение помогает отличать притяжение уже образовавшихся ионов от процесса их образования.

Металлическая связь — притяжение положительных частиц металла к обобществлённым подвижным электронам. Эти электроны не принадлежат одной конкретной паре атомов и могут перемещаться по веществу. Модель объясняет, как сохраняется связь в металлическом кристалле.

Как это устроено

Когда частицы сближаются, их ядра и электроны взаимодействуют, поэтому потенциальная энергия системы меняется. На некотором расстоянии притяжение уравновешивает отталкивание, и энергия достигает минимума; это расстояние соответствует длине связи. Если сблизить атомы сильнее, резко возрастает отталкивание, а если раздвинуть — связь ослабевает. Поэтому устойчивое состояние не означает, что атомы неподвижны, а означает энергетически выгодное расстояние между ними.

Для ковалентной связи электронные облака атомов должны перекрыться. Тогда электроны общей пары притягиваются к ядрам обоих атомов и могут удерживать их рядом. Если атомы образуют одну общую пару, связь одинарная; две пары дают двойную, а три — тройную связь. Чем больше общих пар, тем выше кратность, хотя свойства связи зависят также от самих атомов и строения частицы.

Атомы одного элемента одинаково притягивают общую пару, поэтому в молекуле H₂ связь неполярная. У разных элементов электроотрицательность обычно различается: электронная плотность смещается к атому, который сильнее притягивает электроны, и связь становится полярной. При этом на концах связи появляются частичные заряды, обозначаемые δ− и δ+. С ростом разности электроотрицательностей полярность усиливается, но переход к ионному характеру постепенный: строгой универсальной границы нет.

В ионном кристалле каждый ион взаимодействует сразу со множеством соседей противоположного заряда. Такое притяжение распространяется во всех направлениях, а не ограничивается одной парой частиц. Поэтому ионные соединения образуют кристаллические решётки, а не отдельные молекулы; формула показывает простейшее соотношение ионов. Передача электронов может привести к появлению ионов, но сама связь между ними обусловлена именно электростатическим притяжением.

В металле валентные электроны обобществлены и способны перемещаться между положительными частицами. Это не похоже на ковалентную связь, где общие пары связывают определённые атомы, и на ионную, где взаимодействуют разноимённо заряженные ионы. Водородная связь возникает, когда водород, уже связанный с электроотрицательным атомом, притягивается к другому электроотрицательному атому. Обычно она действует между молекулами, иногда — между частями одной крупной молекулы, и слабее ковалентной связи.

Сравнение видов химической связи и водородного взаимодействия

Сначала определите, какие частицы взаимодействуют: отдельные атомы, ионы, частицы металла или молекулы. Затем сопоставьте способ распределения электронов и природу притяжения. Таблица описывает типичные модели: у реальных веществ признаки могут сочетаться.

Разбор задач

Задача 1. Определите вид связи в молекулах H₂, HCl и в соединении NaCl. Для решения нужно выяснить, одинаковы ли атомы в молекуле, различаются ли их электроотрицательности и имеются ли в соединении ионы. Одного факта, что вещество состоит из разных элементов, недостаточно: важно понять, как именно взаимодействуют частицы.

1. В H₂ соединены два одинаковых атома водорода. Они одинаково притягивают общую электронную пару, поэтому связь ковалентная неполярная.
2. В HCl атомы разные, и хлор сильнее притягивает общую электронную пару. Значит, связь ковалентная полярная: у хлора частичный заряд δ−, у водорода — δ+.
3. В NaCl натрий отдаёт электрон, а хлор принимает его, образуются Na⁺ и Cl⁻. Их электростатическое притяжение соответствует ионной связи, а в твёрдом веществе ионы формируют решётку.

Ответ: H₂ — ковалентная неполярная связь; HCl — ковалентная полярная; NaCl — ионная связь.

Задача 2. Какая связь наиболее полярна: C–H, O–H или H–H? Укажите частичные заряды в полярных связях. Нужно сравнить электроотрицательности атомов в каждой паре и выяснить, в сторону какого атома смещается электронная плотность. Чем больше различие электроотрицательностей, тем сильнее выражена полярность.

1. В H–H соединены одинаковые атомы, поэтому разность электроотрицательностей равна нулю и связь неполярна.
2. В C–H электронная пара смещена к углероду слабо, поскольку электроотрицательности этих элементов различаются незначительно. Связь полярна слабее, чем O–H.
3. В O–H кислород заметно сильнее притягивает общую пару. Поэтому связь O–H наиболее полярна: O получает δ−, а H — δ+; в C–H смещение направлено к C.

Ответ: наиболее полярна O–H; в O–H кислород имеет δ−, водород — δ+, а в C–H углерод — δ− и водород — δ+; H–H неполярна.

Задача 3. Для NaCl, Cu, H₂O и CO₂ определите тип связи внутри частиц или кристалла, а для воды укажите возможность водородных связей между молекулами. Здесь важно не смешивать взаимодействия внутри вещества с притяжением между его молекулами. Поэтому сначала определим, какие структурные частицы образуют каждый образец.

1. NaCl состоит из ионов Na⁺ и Cl⁻, взаимодействующих в кристаллической решётке, — связь ионная.
2. Cu — металл с металлической связью: положительные частицы взаимодействуют с обобществлёнными подвижными электронами.
3. В молекуле H₂O связи O–H ковалентные полярные. Между молекулами воды могут возникать водородные связи благодаря полярности связи O–H и участию атомов кислорода соседних молекул.
4. В CO₂ связи C=O внутри молекулы ковалентные полярные. Наличие полярных связей не означает, что всё соединение ионное; здесь атомы связаны общими электронными парами.

Ответ: NaCl — ионная связь; Cu — металлическая; в H₂O и CO₂ — ковалентные полярные связи внутри молекул; между молекулами воды возможны водородные связи.

Типичные ошибки

Считать любую связь строго ковалентной или строго ионной — упрощение: характер связи часто меняется постепенно. Такую ошибку допускают, когда запоминают только ярлыки для примеров. Проверка: сравните электроотрицательности и оцените, насколько смещена электронная плотность.

Называть связь неполярной лишь потому, что в формуле нет зарядов, неверно: формула может показывать нейтральную молекулу с полярными связями. Это смешение общего заряда молекулы и распределения электронов в отдельной связи. Проверьте, одинаковы ли связанные атомы и различаются ли их электроотрицательности.

Передача электронов — не то же самое, что ионная связь: она приводит к появлению заряженных ионов, а связь между ними создаёт электростатическое притяжение. Путаница возникает из-за того, что оба процесса часто описывают рядом. Для самопроверки отдельно назовите причину образования ионов и причину их взаимного притяжения.

Водородную связь не следует считать ковалентной связью внутри молекулы. Это межмолекулярное взаимодействие или притяжение между частями одной крупной молекулы, тогда как ковалентная связь удерживает атомы в самой молекуле. Чтобы не ошибиться, спросите, соединяет ли рассматриваемая связь атомы одной частицы или взаимодействуют уже существующие молекулы.

Связь с другими темами

Для понимания химических связей нужны знания о строении атома, валентных электронах и электронных конфигурациях. Электроотрицательность помогает предсказывать, куда сместится общая электронная пара и насколько полярной окажется связь. Затем эти представления используют при изучении строения веществ и кристаллических решёток. Они также помогают объяснять физические свойства и химическую реакционную способность веществ.

Что запомнить

• Образование химической связи связано с переходом системы в более устойчивое, энергетически выгодное состояние.
• Ковалентная связь возникает благодаря общим электронным парам.
• Полярность ковалентной связи зависит от различия электроотрицательностей атомов.
• Ионная связь — электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов.
• В металлах связь поддерживается взаимодействием положительных частиц с обобществлёнными подвижными электронами.
• Водородная связь обычно слабее ковалентной, но заметно влияет на свойства веществ.