1. Ковалентная связь

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, образованная общей электронной парой двух атомов. Она удерживает атомы в молекуле, потому что оба ядра притягивают общие электроны. Такой тип связи характерен прежде всего для соединений неметаллов.

Общая электронная пара — два электрона, принадлежащие одновременно двум связанным атомам. Их можно изображать точками между символами элементов или чертой, например H—H. Именно эта пара показывает, какие электроны участвуют в соединении атомов.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара расположена между атомами симметрично. Так бывает, когда атомы одинаково притягивают электроны. Поэтому на них не появляются частичные положительный и отрицательный заряды.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому. Электроотрицательность показывает способность атома притягивать общие электроны. На атомах возникают частичные заряды δ− и δ+, но полного перехода электрона не происходит.

Как это устроено

Атомы образуют общие электронные пары, потому что так их внешний электронный слой становится более устойчивым. Водороду для устойчивости достаточно двух электронов, а многим другим элементам — завершённого внешнего слоя из восьми электронов. Общая пара засчитывается сразу обоим атомам, поэтому каждый из них получает более выгодное электронное окружение.

При обменном механизме каждый атом имеет неспаренный электрон на внешнем слое. Эти два электрона объединяются и становятся общей парой, например у двух атомов водорода: H· + ·H → H:H. Механизм называют обменным, потому что каждый участник вносит в связь по одному электрону.

Донорно-акцепторный механизм действует иначе: готовую неподелённую пару предоставляет атом-донор, а атом-акцептор имеет свободное место для её размещения. Донор отдаёт не электрон насовсем, а пару для образования общей связи. После возникновения связи оба электрона принадлежат обоим атомам, поэтому сама связь ковалентная.

Одинаковые атомы имеют одинаковую электроотрицательность и притягивают общую пару с одинаковой силой. Поэтому в H₂, O₂ или N₂ электронная плотность распределена симметрично, и связь неполярная. У разных атомов силы притяжения различаются, поэтому пара смещается к более электроотрицательному атому и связь становится полярной.

Число общих электронных пар определяет кратность связи. Одна пара образует одинарную связь, две пары — двойную, три пары — тройную. Обычно с увеличением кратности связь становится короче и прочнее, поскольку атомы удерживаются большим числом общих электронов.

Виды ковалентной связи и способы её образования

Сначала определите, одинаковы ли атомы и насколько различаются их электроотрицательности. Затем представьте положение общей пары: симметричное или смещённое. Обозначение δ− ставят у более электроотрицательного атома, а δ+ — у второго.

Разбор задач

Образование молекулы H₂

Условие. Покажите образование молекулы H₂ с помощью электронных формул и определите вид связи. У каждого атома водорода один электрон, поэтому до соединения их можно записать как H· и ·H.

1. У каждого атома есть по одному неспаренному электрону.
2. Эти электроны объединяются: H· + ·H → H:H.
3. Пара между атомами является общей, а два электрона завершают внешний слой каждого водорода.

Ответ. В H₂ образуется одна ковалентная связь по обменному механизму. Атомы одинаковы и одинаково притягивают пару, поэтому связь неполярная.

Образование молекулы HCl

Условие. Изобразите связь HCl, укажите её полярность и частичные заряды. Водород и хлор образуют одну общую электронную пару, но притягивают её неодинаково.

1. Сравниваем электроотрицательности: хлор притягивает электроны сильнее водорода.
2. Общая пара смещается к хлору: Hδ+—Clδ−.
3. Знаки δ показывают частичные, а не полные заряды, потому что электроны остаются общими.

Ответ. В молекуле HCl одна полярная ковалентная связь. Электронная плотность смещена к хлору, поэтому водород имеет δ+, а хлор — δ−.

Ион аммония NH₄⁺

Условие. Объясните образование и строение NH₄⁺ по донорно-акцепторному механизму. В молекуле аммиака NH₃ у азота остаётся неподелённая электронная пара, а ион H⁺ не имеет электронов и предоставляет свободное место.

1. Атом азота выступает донором: он предоставляет неподелённую пару.
2. Ион H⁺ является акцептором и принимает эту пару на свободное место.
3. Возникает четвёртая связь N→H, после чего её электроны становятся общей парой.

Ответ. В NH₄⁺ одна связь образована донорно-акцепторным механизмом, а три — обменным. После образования все четыре связи ковалентные, а положительный заряд относится ко всему иону.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любую связь между разными неметаллами ионной. Её допускают, потому что видят разные элементы, но решает распределение общей пары и разность электроотрицательностей. Проверьте, остаётся ли пара общей: если да, связь ковалентная.

Ошибка: путать общую и неподелённую электронные пары. Общая пара находится между атомами и образует связь, а неподелённая принадлежит одному атому и в соединении атомов не участвует. При проверке мысленно спросите: расположена ли пара между символами элементов?

Ошибка: изображать полярную связь как полностью ионную и ставить целые заряды. Полярность означает лишь смещение электронной плотности, поэтому используют δ− и δ+. Целые заряды уместны для ионов, а не для обычной полярной связи.

Ошибка: считать донорно-акцепторную связь односторонней. Стрелка показывает только, кто предоставил исходную пару, а после образования оба электрона становятся общими. Проверьте, не описываете ли вы готовую связь как передачу электронов одному атому.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о строении атома, электронных слоях, валентных электронах и правиле завершения внешнего слоя. Электроотрицательность помогает предсказать направление смещения общей пары.

Ковалентная связь понадобится при изучении строения и полярности молекул, химических свойств веществ и типов кристаллических решёток. По строению связи можно объяснять многие свойства вещества.

Эта тема дополняет представления об ионной и металлической связи. Вместе они образуют основную картину химических связей и показывают, каким образом частицы удерживаются друг возле друга.

Что запомнить

• Ковалентная связь образуется общей электронной парой.
• Общая электронная пара может возникать по обменному или донорно-акцепторному механизму.
• У одинаковых атомов ковалентная связь обычно неполярная.
• У разных атомов общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому.
• Одинарная, двойная и тройная связи содержат соответственно одну, две и три общие электронные пары.
• Полярная ковалентная связь характеризуется частичными, а не целыми зарядами.
• Неподелённые электронные пары не образуют связь между атомами.