Ковалентная химическая связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, которая возникает благодаря общим для двух атомов электронным парам. Иначе говоря, атомы удерживаются вместе не потому, что один полностью отдал электрон другому, а потому, что используют часть электронов совместно. Это понятие помогает объяснить строение многих молекул, например H₂ и HCl.

Общая электронная пара — два электрона, принадлежащие обоим связанным атомам и участвующие в образовании связи. Их изображают точками между символами атомов или чертой: H:H и H—H. Такое обозначение показывает, какие электроны удерживают атомы вместе, а не просто находятся рядом с ними.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара распределена между атомами равномерно или почти равномерно. Так происходит, когда атомы одинаковы либо их способность притягивать электроны близка. Поэтому у них не возникает заметного разделения частичных зарядов.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая пара смещена к одному из атомов. Этот атом притягивает электроны сильнее, поэтому на нём появляется частичный отрицательный заряд δ−, а на другом — частичный положительный заряд δ+. Частичные заряды меньше полных зарядов и не означают переход электрона целиком.

Как это устроено

Когда два атома сближаются, их электронные облака — области, в которых с наибольшей вероятностью находятся электроны, — перекрываются. В пространстве между ядрами электронная плотность становится выше, потому что там оказываются электроны обоих атомов. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным ядрам, и это притяжение удерживает атомы вместе. Если атомы сблизить слишком сильно, отталкивание ядер и электронных облаков возрастает, поэтому устойчивое расстояние не может быть любым.

Образование общей пары делает систему устойчивее, когда энергия связанных атомов ниже, чем энергия отдельных атомов. Причина в том, что каждый из двух электронов притягивается к обоим ядрам и помогает удерживать их рядом. В результате энергия, которую нужно затратить, чтобы разорвать связь, становится значительной. Атомы не «решают» объединиться: связь возникает как результат взаимодействия частиц и стремления системы к более устойчивому состоянию.

В простых молекулах связь образуется с участием неспаренных валентных электронов — электронов внешнего слоя, не имеющих пары в атоме. У каждого атома водорода есть один неспаренный электрон, поэтому при сближении два электрона образуют общую пару: H· + ·H → H:H, или H—H. Аналогично в молекуле хлороводорода неспаренный электрон водорода образует пару с неспаренным электроном хлора: H· + ·Cl → H:Cl. Точки вокруг атома в электронной схеме показывают его валентные электроны, а точки или черта между атомами — общую пару.

Распределение общей пары зависит от электроотрицательности — способности атома притягивать к себе общие электроны. У одинаковых атомов, например в H₂, электроотрицательности одинаковы, поэтому связь неполярная; у разных атомов, например H и Cl, пара смещается к более электроотрицательному хлору. Однако полярность связи и полярность молекулы — не одно и то же: в молекуле с несколькими полярными связями их эффекты могут компенсироваться из-за расположения атомов. Поэтому для вывода о полярности всей молекулы учитывают не только связи, но и её форму.

Число общих пар задаёт кратность связи: одна пара — одинарная, две — двойная, три — тройная. В схемах их можно показывать одной, двумя или тремя чертами: O=O и N≡N. Обычно при увеличении кратности атомы удерживаются сильнее и расстояние между ними уменьшается, поэтому двойные и тройные связи, как правило, прочнее и короче одинарных. Это общее правило помогает сравнивать связи, но конкретные свойства зависят также от самих атомов.

Сравнение видов ковалентной связи

Сначала сравните электроотрицательности атомов, затем проследите, куда смещена общая пара. Таблица описывает именно отдельную связь; чтобы установить полярность всей молекулы, дополнительно учитывайте её форму и взаимное расположение связей.

Разбор задач

Задача 1. Изобразите электронную схему образования молекулы H₂ и укажите вид связи. Начните с электронов отдельных атомов: каждый атом водорода имеет по одному валентному электрону, и оба электрона становятся общими. Поскольку атомы одинаковы, ни один из них не притягивает пару сильнее.

1. Запишите атомы с неспаренными электронами: H· и ·H.
2. Объедините два электрона в общую пару между атомами: H:H, или H—H.
3. Сравните атомы: у обоих водородов одинаковая электроотрицательность, поэтому пара не смещена к одному из них.

Ответ: H₂, схема H:H, связь ковалентная неполярная, одинарная. Одна общая пара образует одну связь.

Задача 2. Изобразите образование молекулы HCl и определите, к какому атому смещена общая пара. Здесь атомы разные, поэтому после составления схемы нужно учесть их способность притягивать электроны. У хлора электроотрицательность выше, чем у водорода, значит, общая пара будет находиться ближе к хлору.

1. У водорода имеется один неспаренный валентный электрон; у хлора для образования одной связи также имеется неспаренный электрон.
2. Образуйте общую пару: H:Cl, или H—Cl.
3. Покажите смещение электронной плотности к хлору: Hδ+—Clδ−. Знаки δ обозначают частичные, а не полные заряды.

Ответ: связь H—Cl ковалентная полярная; общая пара смещена к Cl, на H — δ+, на Cl — δ−.

Задача 3. Для O₂ и N₂ определите кратность связи, изобразите общие электронные пары и сравните связи по кратности. У каждого атома кислорода для связывания участвуют две общие пары, а у каждого атома азота — три. Поэтому при сравнении достаточно подсчитать пары между атомами.

1. В O₂ изобразите две общие пары: O::O, или O=O.
2. В N₂ изобразите три общие пары: N:::N, или N≡N.
3. Соотнесите число пар с кратностью: две пары дают двойную связь, три — тройную. По кратности связь N₂ выше; обычно она короче и прочнее, чем двойная связь O₂.

Ответ: в O₂ связь двойная, в N₂ — тройная. В обеих молекулах связи неполярные, так как соединены одинаковые атомы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ковалентная связь возникает только между одинаковыми атомами. Такое представление появляется из-за примеров вроде H₂, но полярная ковалентная связь образуется и между разными атомами, например HCl. Проверьте себя: если атомы разные, сравните их электроотрицательности — различие не исключает общую пару.

Ошибка: называть связь неполярной только потому, что молекула в целом не имеет дипольного момента. Отдельные связи могут быть полярными, но их эффекты способны компенсироваться из-за формы молекулы. Чтобы проверить вывод, сначала определите полярность каждой связи, а затем рассмотрите расположение всех атомов.

Ошибка: представлять общую пару как электроны, полностью перешедшие от одного атома к другому. Это смешивает ковалентную связь с ионной: в ковалентной связи электроны остаются общими, хотя могут быть смещены. Проверьте обозначения: частичный заряд δ не равен полному заряду иона.

Ошибка: определять полярность по размеру атомов или числу электронов. Эти признаки сами по себе не показывают, какой атом сильнее притягивает общую пару. Для проверки сравните электроотрицательности: пара смещена к атому с большим значением этого свойства.

Связь с другими темами

Чтобы понять образование ковалентной связи, нужно знать строение электронной оболочки атома, различать валентные и неспаренные электроны. Эти сведения помогают увидеть, какие электроны могут образовать общую пару. Без них трудно составить электронную схему молекулы.

Полярность объясняют через электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны. Это понятие пригодится при изучении пространственного строения молекул и межмолекулярных взаимодействий, то есть притяжения между молекулами. По нему можно понять, как строение влияет на свойства вещества.

Кратность связи связывает число общих пар со строением вещества. Это понадобится при сравнении состава, строения и свойств соединений: по кратности можно судить о прочности и длине связи. Так электронные схемы помогают перейти от строения частиц к свойствам веществ.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар.
• Общая пара находится между ядрами связанных атомов.
• В неполярной связи общая пара распределена между атомами равномерно или почти равномерно.
• В полярной связи общая пара смещена к более электроотрицательному атому.
• Одна, две и три общие пары образуют соответственно одинарную, двойную и тройную связь.
• Полярность отдельной связи не всегда означает полярность всей молекулы.