§ 11. Ковалентная химическая связь образуется за счет притяжения ядер к общим электронам

Определения и обозначения

Ковалентная химическая связь — связь между атомами, возникающая благодаря притяжению их ядер к общим электронам. Атомы удерживаются не простым соприкосновением, а взаимодействием ядер и электронной плотности между ними. Это понятие объясняет строение молекул простых и сложных веществ.

Общая электронная пара — два электрона, принадлежащие одновременно двум связанным атомам и участвующие в образовании связи. Обычно в неё входит по одному валентному электрону от каждого атома. По числу таких пар определяют кратность связи.

Электронная формула — способ показать валентные электроны атомов и общие электронные пары точками. Точки вокруг символа обозначают электроны внешнего слоя, а две точки между символами — общую пару. Такая запись помогает понять, какие электроны образуют связь.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами примерно поровну. Это характерно для молекул, состоящих из одинаковых атомов, например H₂, F₂, O₂ и N₂. Поэтому ни один из двух атомов не получает заметного преимущества в притяжении пары.

Как это устроено

Атомам выгодно образовывать связь, когда после объединения электронов система становится устойчивее. Валентные электроны двух атомов могут создать общую пару, и тогда оба ядра начинают притягивать её. Благодаря этому связанное состояние часто имеет меньшую энергию, чем отдельные свободные атомы.

Общая пара возникает из электронов внешних оболочек обоих атомов. Например, у каждого атома водорода есть по одному электрону, и эти электроны становятся общими для обоих атомов. Одного сближения атомов недостаточно: связь появляется только тогда, когда электроны начинают участвовать во взаимодействии с обоими ядрами.

Электронная плотность между ядрами притягивает каждое из них к середине промежутка. Одновременно ядра отталкиваются друг от друга, а электроны отталкиваются от ядер, если подходят слишком близко. Равновесие этих притяжений и отталкиваний устанавливает определённое расстояние между атомами.

В электронной формуле общую пару изображают двумя точками между символами атомов: H:H. Для краткости эту пару можно обозначить чертой H—H, но смысл остаётся тем же. Точки, расположенные сбоку от символа и не стоящие между атомами, показывают неподелённые пары.

Число общих пар определяет кратность связи. В H₂ и F₂ атомы соединены одной парой, поэтому связь одинарная; в O₂ участвуют две пары, а в N₂ — три. У одинаковых атомов такие пары распределяются примерно поровну, поэтому связи в этих молекулах неполярные.

Образование ковалентных связей в молекулах

Сначала найдите число общих пар, а затем по нему определите кратность связи. Запись в последнем столбце условная: каждая двоеточие между символами обозначает одну общую пару. Неподелённые пары атомов в этой таблице не показаны.

Разбор задач

Задача 1. Образование H₂

Условие: изобразите образование молекулы H₂ с помощью электронных формул и укажите, какие электроны становятся общими.

1. У каждого атома водорода по одному валентному электрону: H· и ·H.
2. При сближении эти два электрона образуют одну общую пару между атомами.
3. Записываем электронную формулу H:H, или структурную формулу H—H.

Ответ: общими становятся по одному электрону от каждого атома; образуется одна общая пара и одинарная неполярная связь.

Задача 2. Образование F₂

Условие: по электронным формулам атомов фтора составьте формулу F₂ и определите число общих и неподелённых пар.

1. У атома фтора семь валентных электронов: три пары и один неспаренный электрон.
2. Неспаренные электроны двух атомов объединяются и дают одну общую пару: F:F.
3. У каждого атома после этого остаются три неподелённые пары, поэтому всего их шесть.

Ответ: в F₂ одна общая пара, шесть неподелённых пар, по три у каждого атома; связь одинарная и неполярная.

Задача 3. Образование N₂

Условие: изобразите электронную формулу N₂, укажите число общих пар и объясните кратность связи.

1. У каждого атома азота пять валентных электронов: одна неподелённая пара и три неспаренных электрона.
2. Три неспаренных электрона одного атома объединяются с тремя электронами другого атома.
3. Получается формула :N:::N:, где между атомами находятся три общие пары, а снаружи остаётся по одной неподелённой паре.

Ответ: в N₂ три общие пары, поэтому связь тройная; у каждого атома есть ещё одна неподелённая пара.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что ковалентная связь — это сами электроны. Электроны являются частью взаимодействия, а связь возникает благодаря их притяжению к ядрам обоих атомов. Проверьте себя: спросите, что именно удерживает ядра, а не просто перечислите частицы.

Ошибка 2. Приписывать общую пару только одному атому. Так происходит, когда забывают, что она образуется для двух связанных атомов сразу. В формуле общая пара должна находиться между символами, а не только возле одного из них.

Ошибка 3. Путать общие и неподелённые пары. Общая пара расположена между атомами и создаёт связь, а неподелённая остаётся у одного атома. Проверка проста: если пару нельзя поместить между символами без изменения записи, она не связывающая.

Ошибка 4. Считать, что любой молекуле достаточно одной общей пары. Для устойчивого внешнего слоя атомам иногда нужны две или три пары. Сверьте число пар с формулой: две дают двойную связь, три — тройную.

Связь с другими темами

До изучения ковалентной связи нужно знать строение атома, электронные оболочки и валентные электроны. Именно электроны внешнего слоя участвуют в образовании общих пар. Без этого трудно понять электронные формулы.

Тема пригодится при изучении химических формул и строения молекул. Она также помогает отличать ковалентную связь от ионной, где важную роль играет переход электронов от одного атома к другому.

Общие пары нужны для объяснения кратности и полярности ковалентных связей. Число пар показывает, одинарная связь или кратная, а распределение электронной плотности позволяет судить о её полярности.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется между атомами благодаря общим электронам.
• Общая электронная пара притягивается к ядрам обоих связанных атомов.
• Электронную формулу используют, чтобы показывать валентные электроны и общие пары.
• Одна общая пара соответствует одинарной связи.
• Две или три общие пары соответствуют двойной или тройной связи.
• Неподелённые пары не образуют связь между атомами.