2.4. Ковалентная связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, возникающая благодаря общим электронным парам двух атомов. Эти пары принадлежат обоим атомам и удерживают их рядом. Понятие нужно, чтобы объяснять строение молекул и запись связей между атомами.

Кратность ковалентной связи — число общих электронных пар между двумя атомами. Различают одинарную, двойную и тройную связи, содержащие соответственно одну, две и три пары. По кратности можно сравнивать длину и прочность связей.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому. Электроотрицательность показывает способность атома притягивать к себе общие электроны. Это определение помогает установить частичные заряды на атомах и направление смещения электронной плотности.

Донорно-акцепторный механизм — способ образования ковалентной связи, при котором оба электрона общей пары предоставляет один атом. Такой атом называют донором, а частицу со свободной орбиталью — акцептором. Механизм позволяет понять образование, например, иона аммония NH₄⁺.

Как это устроено

Ковалентная связь возникает при перекрывании электронных облаков двух атомов. В области перекрывания увеличивается электронная плотность между ядрами, поэтому общая пара притягивается к обоим ядрам и связывает их. Система обычно переходит в состояние с меньшей энергией, поэтому образование связи энергетически выгодно.

При обменном механизме каждый атом предоставляет по одному неспаренному электрону. При сближении атомов эти электроны объединяются в общую пару, а перекрывание орбиталей делает её общей для обоих ядер. Так образуются, например, связи H–H и Cl–Cl.

При донорно-акцепторном механизме у одного атома уже есть неподелённая электронная пара, а у другого — свободная орбиталь. Донор передаёт свою пару в эту орбиталь акцептора, и между частицами возникает общая электронная пара. После образования связь имеет те же свойства, что и связь, возникшая обменным механизмом.

Распределение общей пары зависит от электроотрицательности атомов. Если она одинакова или почти одинакова, электронная плотность распределяется примерно равномерно, поэтому связь неполярна либо слабополярна. При большой разнице электроотрицательностей пара смещается к одному атому, и на концах связи появляются частичные заряды.

Кратность показывает, сколько электронных пар связывает атомы. Чем больше пар участвует в связи, тем сильнее притяжение атомов и тем меньше обычно расстояние между их ядрами. Направленность определяется ориентацией перекрывающихся орбиталей, поэтому ковалентные связи задают определённую геометрию молекулы.

Сравнение видов ковалентной связи и механизмов её образования

Сначала определите, о каких признаках спрашивается: о распределении электронной плотности или о способе образования пары. Затем сравните электроотрицательности и электронные формулы атомов. Механизм образования и полярность описывают разные стороны одной и той же ковалентной связи.

Разбор задач

1. Связи в H₂, HCl и O₂

Условие: определите вид связи и число общих электронных пар в молекулах H₂, HCl и O₂. Нужно отдельно установить полярность и кратность каждой связи.

1. В H₂ связаны одинаковые атомы водорода, поэтому их электроотрицательности равны. Каждый атом даёт по одному электрону, образуется одна общая пара.
2. В HCl электроотрицательность хлора выше, чем у водорода. Общая пара смещена к хлору, но остаётся общей, поэтому связь ковалентная полярная и одинарная.
3. В O₂ атомы одинаковы, значит, связь неполярная. Для завершения внешних оболочек атомы используют две общие пары, поэтому связь двойная.

Ответ: H₂ — неполярная одинарная связь, одна общая пара; HCl — полярная одинарная связь, одна общая пара; O₂ — неполярная двойная связь, две общие пары.

2. Образование NH₄⁺

Условие: изобразите образование связи в ионе NH₄⁺ и назовите донор и акцептор. У атома азота в NH₃ есть неподелённая пара, а ион H⁺ имеет свободную орбиталь.

1. Запишите NH₃ и найдите неподелённую пару азота, не участвующую в обычных связях N–H.
2. Ион H⁺ присоединяется к этой паре, поскольку его орбиталь может принять электроны. Азот предоставляет оба электрона и является донором, а H⁺ — акцептором.
3. Образуется ион аммония: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. Возникшая связь N→H после образования является обычной ковалентной связью.

Ответ: донор — атом азота, акцептор — ион H⁺; связь образуется донорно-акцепторным механизмом.

3. Связи C–C в этане, этене и этине

Условие: сравните связи C–C в C₂H₆, C₂H₄ и C₂H₂ по кратности, длине и прочности. Используйте число общих электронных пар.

1. В этане C₂H₆ связь одинарная: между атомами углерода одна общая пара.
2. В этене C₂H₄ связь двойная, то есть содержит две общие пары; в этине C₂H₂ связь тройная и содержит три пары.
3. С ростом кратности притяжение усиливается и расстояние между ядрами обычно уменьшается, поэтому прочность возрастает, а длина уменьшается.

Ответ: по кратности: этан < этен < этин; по длине: этан > этен > этин; по прочности: этан < этен < этин.

Типичные ошибки

Считать донорно-акцепторную связь особой после её образования — ошибка. Её отличие относится только к происхождению общей пары, а не к свойствам готовой ковалентной связи. Проверьте себя: после образования пары спросите, является ли она общей для обоих атомов.

Полярность связи не равна полярности молекулы. Ученик может увидеть полярные связи, но забыть, что их эффекты способны компенсироваться геометрией молекулы. Проверьте не только отдельные связи, но и их взаимное расположение.

Нельзя определять полярность по порядку записи формулы. Электронная плотность смещается к более электроотрицательному атому, даже если он записан вторым. Сравните электроотрицательности элементов и укажите направление смещения.

Двойная связь — не просто две независимые связи. Она содержит две общие электронные пары и имеет особое пространственное строение, а её длина и прочность отличаются от одинарной связи. Для проверки нарисуйте электронную формулу и пересчитайте пары между атомами.

Связь с другими темами

Для понимания ковалентной связи нужны знания о строении атома, валентных электронах, электронных формулах и электроотрицательности. Эти представления позволяют объяснить, откуда берутся общие пары и почему они распределяются неравномерно.

Тема служит основой для изучения строения молекул и химической полярности. Позже она поможет понять межмолекулярные взаимодействия и связать свойства веществ с их молекулярным строением.

Что запомнить

• Ковалентная связь основана на общей электронной паре.
• При обменном механизме каждый атом предоставляет электрон общей пары.
• При донорно-акцепторном механизме оба электрона пары предоставляет донор.
• Полярность связи зависит от разности электроотрицательностей связанных атомов.
• Одинарная, двойная и тройная связи содержат одну, две и три общие электронные пары соответственно.
• С ростом кратности связь обычно становится короче и прочнее.