3. Химическая связь

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие атомов, благодаря которому они удерживаются вместе. Связи возникают при образовании молекул и других частиц, из которых состоят вещества. Это понятие нужно, чтобы объяснять, почему атомы соединяются и как устроено вещество.

Ковалентная связь образуется, когда атомы используют общие электронные пары. Общая пара принадлежит сразу двум атомам, хотя может притягиваться ими неодинаково. Ковалентная связь бывает неполярной и полярной, поэтому одним названием обозначают два варианта распределения электронов.

Ионная связь — притяжение противоположно заряженных ионов, которые появляются при передаче электронов от одних атомов к другим. Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом, а принявший его — отрицательным. Определение помогает отличать саму связь-притяжение от процесса передачи электронов.

Металлическая связь — притяжение положительных ионов металла к обобществлённым электронам. Эти электроны не принадлежат одному конкретному атому и могут перемещаться между ионами. Такая модель нужна для описания строения металлов и объяснения их свойств.

Как это устроено

У атома есть внешние электроны — они находятся на самом удалённом занятом электронном слое. Именно эти электроны чаще всего участвуют во взаимодействиях с другими атомами. Связывание оказывается выгодным, когда электронное состояние частиц становится устойчивее, поэтому при образовании веществ меняется распределение внешних электронов. Разные способы такого изменения и дают разные типы химической связи.

При ковалентной связи атомы образуют общие электронные пары. Электроны пары притягиваются ядрами обоих атомов, поэтому помогают удерживать атомы рядом. Одна общая пара соответствует одинарной связи, две общие пары — двойной, три — тройной. Число пар показывает, сколько электронов участвует в совместном связывании: например, в записи H—H черта обозначает одну общую пару.

В неполярной ковалентной связи общая пара распределена между атомами примерно поровну. Это характерно, например, для одинаковых атомов: их способность притягивать электроны совпадает. В полярной связи один атом притягивает общую пару сильнее другого; это свойство называют большей электроотрицательностью. Поэтому электроны смещаются к нему, хотя остаются общей парой, а не переходят полностью.

При образовании ионной связи электрон переходит от одного атома к другому. Отдавший электрон атом становится положительно заряженным, а принявший — отрицательно заряженным; такие заряженные частицы называются ионами. После передачи противоположные заряды притягиваются, и это притяжение удерживает ионы вместе. Передача объясняет появление ионов, а не является названием самой связи.

В металлах валентные электроны не закреплены за отдельными атомами: они обобществлены и перемещаются между положительными ионами. Притяжение ионов к этим подвижным электронам удерживает металлический кристалл. Возможность электронов перемещаться по веществу помогает объяснить электропроводность металлов. А способность слоёв частиц сдвигаться без разрушения всего притяжения связана с ковкостью и пластичностью металлов.

Сравнение типов химической связи

Сначала выясни, что происходит с электронами: они образуют общую пару, переходят к другому атому или становятся обобществлёнными. Затем определи, какие частицы притягиваются. Примеры помогают проверить вывод, но при классификации полезно опираться прежде всего на устройство связи.

Разбор задач

Водород H₂

Условие. Определите тип связи в молекуле H₂ и изобразите образование общей электронной пары. Атомы водорода одинаковые, каждый имеет по одному электрону. Нужно выяснить, как эти электроны удерживают атомы вместе.

1. Сравниваем атомы: их электроотрицательности одинаковы, поэтому ни один не притягивает общие электроны сильнее.
2. Каждый атом предоставляет по одному электрону, и они образуют общую пару: H· + ·H → H:H.
3. Обозначаем пару чертой: H—H. Одинаковое распределение электронов означает неполярную ковалентную связь.

Ответ. В H₂ связь ковалентная неполярная, одна общая пара изображается как H:H или H—H. Черта обозначает пару, а не отдельный электрон.

Молекулы HCl и Cl₂

Условие. Определите тип связи в HCl и Cl₂ и укажите, к какому атому смещена общая пара в HCl. Сравните способность атомов притягивать общие электроны. Рассматривайте каждую молекулу отдельно.

1. В Cl₂ соединены два одинаковых атома хлора, поэтому общая пара распределена примерно поровну. Связь ковалентная неполярная.
2. В HCl атомы разные, и хлор сильнее притягивает общую пару, чем водород.
3. Электроны в HCl остаются общей парой, но смещаются к хлору; значит, связь ковалентная полярная, а не ионная.

Ответ. В Cl₂ связь ковалентная неполярная, в HCl — ковалентная полярная. Общая пара в HCl смещена к атому хлора.

Образование MgCl₂

Условие. Покажите образование MgCl₂ из атомов магния и хлора и определите тип связи. У магния два внешних электрона, а каждому атому хлора нужен один электрон для завершения внешнего слоя. Поэтому рассматриваем один атом Mg и два атома Cl.

1. Атом Mg отдаёт два электрона: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻. После потери электронов образуется положительный ион.
2. Каждый из двух атомов хлора принимает по одному электрону: 2Cl + 2e⁻ → 2Cl⁻.
3. Записываем итоговое соотношение частиц: Mg²⁺ + 2Cl⁻ → MgCl₂. Заряды ионов противоположны, поэтому они притягиваются.

Ответ. В MgCl₂ ионная связь: передача двух электронов создаёт один ион Mg²⁺ и два иона Cl⁻, а затем эти ионы удерживаются взаимным притяжением.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любую связь между неметаллами неполярной. Так думают, потому что часто рассматривают молекулы из одинаковых атомов, например Cl₂. Но неметаллы могут различаться по электроотрицательности, как водород и хлор. Проверь себя: если общая пара смещена к одному атому, связь полярная.

Ошибка: путать полярную ковалентную связь с ионной. В обоих случаях электроны распределяются неравномерно, из-за чего явления легко смешать. Однако в полярной связи пара остаётся общей, а при ионной связи электроны переходят и образуются заряженные частицы. Проверь, есть ли общая пара или уже возникли ионы.

Ошибка: называть передачу электронов ионной связью. Передача — это этап, после которого появляются ионы, а не само притяжение между ними. Путаница возникает, если описывать образование вещества только по движению электронов. Проверь формулировку: связь в ионном веществе — притяжение противоположно заряженных ионов.

Ошибка: представлять металлическую связь как общие пары между соседними атомами. Такое объяснение переносят с ковалентных молекул, где пары связывают конкретные атомы. В металле валентные электроны обобществлены и перемещаются по кристаллу. Проверь себя: если электроны свободно перемещаются среди положительных ионов, речь идёт о металлической связи.

Связь с другими темами

Для изучения химической связи нужны знания о строении атома, электронных оболочках и распределении электронов по внешнему слою. Также важно различать металлы и неметаллы и понимать электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны. Эти понятия помогают объяснить, как именно взаимодействуют атомы. Позже строение и тип связи пригодятся при объяснении свойств веществ и химических реакций.

Что запомнить

• Химическая связь удерживает атомы или ионы вместе.
• Ковалентная связь возникает благодаря общим электронным парам.
• Ковалентная связь бывает полярной и неполярной.
• При образовании ионной связи возникают противоположно заряженные ионы.
• Металлическая связь обусловлена притяжением положительных ионов к обобществлённым электронам.
• Тип связи помогает объяснить строение вещества и его свойства.