§ 43. Образование ковалентной химической связи и валентность

Определения и обозначения

Ковалентная химическая связь — связь между атомами, возникающая благодаря общей электронной паре. Электроны притягиваются к ядрам обоих атомов, поэтому пара помогает удерживать атомы вместе. Это понятие нужно, чтобы объяснять, как образуются молекулы.

Общая электронная пара — два электрона, которые участвуют в связи между атомами. Их называют общими, потому что они принадлежат обоим связанным атомам, а не только одному из них. С помощью общих пар можно понять, сколько связей соединяет атомы.

Электронная формула молекулы — изображение, в котором показывают внешние электроны атомов и общие электронные пары. Обычно электроны обозначают точками, а общую пару размещают между символами связанных атомов. Такая запись помогает увидеть не только связи, но и электроны, которые в них не участвуют.

Валентность — число химических связей, образуемых атомом. Её обозначают римскими цифрами: I, II, III и далее. Например, если атом образует две связи, его валентность равна II; это позволяет записывать и проверять формулы веществ.

Как это устроено

Атомам выгодно иметь устойчивую внешнюю электронную оболочку: с ней их состояние становится более устойчивым. Для атома водорода такой оболочке соответствуют два электрона, а многие другие атомы стремятся иметь восемь. Атом не обязательно отдаёт или принимает электроны, чтобы приблизиться к этому состоянию: он может использовать электроны совместно с соседним атомом. Поэтому образование общей пары объясняет появление связи между атомами.

У некоторых атомов на внешней оболочке есть неспаренные электроны — электроны, не составляющие пару с другим электроном этого атома. Когда два таких атома сближаются, их неспаренные электроны могут образовать общую пару. Она одновременно притягивается к обоим ядрам и удерживает атомы рядом. Так возникает ковалентная связь, а общая пара становится её электронной основой.

Число общих пар между двумя атомами определяет кратность связи. Одна общая пара соответствует одинарной связи, две общие пары — двойной, а три — тройной. Чем больше пар совместно используют атомы, тем больше связей соединяет эту пару атомов. Кратность показывает количество связей именно между выбранными атомами, а не число всех связей в молекуле.

Чтобы составить электронную формулу, сначала отмечают внешние электроны каждого атома, затем определяют, какие из них могут участвовать в образовании общих пар. Общие пары располагают между символами атомов, поскольку они связывают эти атомы. Электроны, которые не образовали общих пар, оставляют около символа своего атома. Эти пары называют неподелёнными: они принадлежат одному атому и не соединяют его с другим.

Валентность находят, считая связи, которые образует конкретный атом. В молекуле H₂O атом кислорода соединён с двумя атомами водорода двумя одинарными связями, поэтому его валентность II; у каждого водорода одна связь, его валентность I. Для двойной связи учитывают две связи, для тройной — три. Такой способ связывает изображение молекулы с записью валентности римскими цифрами.

Ковалентные связи и валентность в молекулах

Сначала найдите в таблице число общих пар, а по нему определите кратность связи между атомами. Затем посмотрите, сколько связей образует каждый указанный атом: это и будет его валентность. В молекулах H₂O и NH₃ нужно учитывать связи каждого атома отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Молекула H₂

Условие. Покажите образование молекулы H₂ электронной формулой и укажите валентность атома водорода. Нужно выяснить, как два атома водорода достигают устойчивой оболочки. У каждого атома есть по одному электрону.

1. Запишем символы двух атомов: H и H. У каждого — один неспаренный электрон.
2. Объединим эти электроны в общую пару между атомами. Электронная формула: H:H, где двоеточие обозначает общую пару.
3. Одна общая пара означает одну связь. Каждый атом водорода участвует в одной связи, поэтому его валентность I.

Ответ. Электронная формула — H:H, структурная — H—H. Валентность каждого атома водорода равна I.

Задача 2. Молекула H₂O

Условие. Составьте электронную и структурную формулы молекулы H₂O и укажите валентности элементов. Важно распределить общие пары между кислородом и каждым из двух атомов водорода. У кислорода также остаются электроны, не участвующие в связях.

1. В центре расположим O, а рядом с ним — два атома H. Кислород образует общую пару с каждым водородом.
2. В электронной формуле это можно показать как H:O:H, добавив около O две неподелённые пары: (··) и (··). Каждое двоеточие между O и H — отдельная общая пара.
3. Заменим каждую общую пару чертой: структурная формула H—O—H. У кислорода две связи, у каждого водорода — одна.

Ответ. Электронная формула содержит две общие пары O:H и две неподелённые пары у O; структурная формула — H—O—H. Валентность кислорода — II, водорода — I.

Задача 3. Молекула NH₃

Условие. Составьте электронную и структурную формулы NH₃, определите валентности азота и водорода. Нужно не спутать общие пары азота с его неподелённой парой. Азот образует связи с тремя атомами водорода.

1. Запишем N и три символа H. Три неспаренных электрона азота образуют три общие пары — по одной с каждым водородом.
2. В электронной формуле разместим эти пары между N и H, а четвёртую электронную пару азота оставим около N как неподелённую. Она не соединяет атом азота с водородом.
3. В структурной формуле покажем три связи: N—H, N—H и N—H. Считаем связи отдельно для каждого элемента.

Ответ. В электронной формуле у азота три общие пары с водородами и одна неподелённая пара; структурная формула содержит три связи N—H. Валентность азота — III, водорода — I.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что общая электронная пара принадлежит только одному атому. Так можно решить, увидев пару рядом с символом одного элемента, но общая пара должна находиться между символами связанных атомов. Проверьте себя: если пара образует связь, она связывает оба атома.

Валентность иногда принимают за заряд атома, потому что оба понятия связаны с поведением электронов. Но валентность показывает число связей, а не знак или величину заряда. Чтобы проверить ответ, посчитайте связи на схеме и не ставьте рядом с валентностью знак плюса или минуса.

Ещё одна ошибка — считать, что все внешние электроны обязательно участвуют в связях. Часть электронов может остаться неподелёнными парами, как у кислорода в H₂O или азота в NH₃. Сверьте число общих пар со связями, а оставшиеся электроны отметьте около символа атома.

Нельзя определять валентность по общему числу атомов в молекуле. В NH₃ четыре атома, но валентность азота равна III, потому что он образует три связи. Проверяйте связи каждого атома отдельно: именно их количество определяет его валентность.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в образовании ковалентной связи, нужно знать строение атома и устройство электронной оболочки. Особенно пригодятся понятия внешнего и неспаренного электрона: они помогают понять, какие электроны могут образовать общую пару. Эти знания позволяют перейти от отдельных атомов к моделям молекул.

Тема нужна при составлении формул веществ и структурных формул молекул: по связям можно проверить, правильно ли указана валентность. Позже понимание общих электронных пар поможет сравнивать ковалентную связь с другими типами химической связи. Поэтому умение читать электронные формулы станет основой для следующих тем химии.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется за счёт общей электронной пары.
• Одна общая пара соответствует одной связи между атомами.
• Две общие пары образуют двойную связь, три — тройную.
• В электронной формуле общие пары располагают между символами связанных атомов.
• Неподелённые пары не образуют связь между атомами.
• Валентность показывает, сколько связей образует атом.