§ 32. Химическая связь

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие, которое удерживает атомы или ионы вместе в составе вещества. Благодаря связи частицы не остаются отдельными: они образуют молекулы или другие устойчивые соединения. Это понятие помогает объяснять, как устроено вещество и почему его частицы сохраняют соседство.

Ковалентная связь — связь между атомами, возникающая благодаря общей электронной паре. Каждый атом предоставляет для общей пары один или несколько электронов, а сама пара участвует в удержании атомов рядом. Это определение помогает отличить ковалентную связь от случая, когда электроны переходят от одного атома к другому.

Неполярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара принадлежит соединённым атомам примерно одинаково. Обычно так бывает между одинаковыми атомами: они одинаково притягивают общую пару. Это понятие нужно, чтобы описывать равномерное распределение электронов, например в молекуле H₂.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из атомов. Такой атом сильнее притягивает электроны, поэтому распределение пары становится неравномерным. Понятие полярности помогает показать, чем связь между разными атомами может отличаться от связи между одинаковыми.

Как это устроено

Связь образуется не случайно: объединённое состояние атомов может иметь меньшую энергию и быть устойчивее, чем состояние отдельных атомов. При сближении меняется взаимодействие ядер и электронов, а внешние электроны участвуют в перестройке оболочек. В результате атомы удерживаются вместе, если новое расположение частиц энергетически выгодно. Поэтому образование связи можно объяснить стремлением системы перейти в более устойчивое состояние.

При ковалентной связи два атома используют пару электронов совместно. Электроны общей пары притягиваются ядрами обоих атомов, и это притяжение удерживает атомы рядом. Электронную формулу изображают символами атомов и точками общей пары между ними: например, H:H показывает пару в молекуле H₂. Вместо двух точек иногда используют черту, но смысл остаётся тем же — это общие электроны, а не полностью переданные от одного атома другому.

В молекуле из одинаковых атомов каждый атом одинаково притягивает общую электронную пару, поэтому она распределена примерно поровну и связь неполярная. У разных атомов способность притягивать общую пару может различаться. Если один атом притягивает её сильнее, пара смещается к нему — ковалентная связь становится полярной. Например, в HCl общая пара смещена к атому хлора, поскольку он сильнее притягивает электроны, чем атом водорода.

Ионная связь возникает после передачи электронов от одного атома к другому. Атом, потерявший электроны, становится положительным ионом, а атом, принявший их, — отрицательным. Например, атом магния отдаёт два электрона атому кислорода: образуются Mg²⁺ и O²⁻. Передача электронов создаёт ионы, а связь между ними возникает потому, что заряды противоположных знаков притягиваются.

Ковалентная связь соединяет атомы, которые используют общую пару электронов; в веществе с такой связью можно выделять молекулы. Ионная связь удерживает положительные и отрицательные ионы, возникшие после отдачи и присоединения электронов. Значит, различаются и участники связи, и судьба электронов: при ковалентной связи они общие, а при ионной переходят от атома к атому. Сравнивая эти признаки, можно определить тип связи, не ориентируясь лишь на число символов в формуле.

Сравнение ковалентной и ионной химической связи

Сравнивай виды связи по трём главным вопросам: какие частицы соединяются, что происходит с электронами и как распределена общая пара. Если общая пара участвует в связи, она может быть распределена равномерно или смещена; если электроны передаются, возникают ионы. Последние две строки таблицы помогают связать рассуждение с частицами вещества и конкретным примером.

Разбор задач

Задача 1. По формуле H₂ определите тип связи и изобразите общую электронную пару. Здесь важно сначала установить, какие атомы входят в молекулу, а затем проверить, одинаково ли они притягивают электроны. Запись пары точками между символами покажет, какие электроны участвуют в связи.

1. В формуле H₂ указаны два атома водорода, значит, атомы одинаковые.
2. Одинаковые атомы притягивают общую пару примерно одинаково, поэтому она не смещена к одному из них.
3. Изобразите электронную формулу H:H: две точки между символами — общая пара.

Ответ: связь ковалентная неполярная; электронная формула — H:H. Равное распределение пары следует из того, что в ней участвуют одинаковые атомы. Не нужно изображать переход электронов между ними: оба электрона остаются общими.

Задача 2. Для молекулы HCl укажите тип связи и покажите, к какому атому смещена общая электронная пара. Сначала сравните атомы: они разные, поэтому притягивать общие электроны могут неодинаково. Затем укажите не просто наличие общей пары, а направление её смещения.

1. В молекуле соединены атомы водорода и хлора — это разные атомы.
2. Хлор сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому она смещена к нему.
3. Связь остаётся ковалентной, поскольку атомы используют общую пару; неравномерное распределение делает её полярной.

Ответ: в HCl полярная ковалентная связь, общая электронная пара смещена к атому Cl. Направление смещения определяют по тому, какой атом сильнее притягивает электроны. Это не означает, что электронная пара полностью перешла к хлору.

Задача 3. Определите, как образуется MgO: укажите, какой атом отдаёт электроны, какой принимает, и назовите тип связи. Проследите отдельно за судьбой электронов и за притяжением частиц после их перехода. Так не получится спутать образование ионов с самой связью между ними.

1. Атом магния отдаёт два электрона и превращается в положительный ион Mg²⁺.
2. Атом кислорода принимает эти два электрона и становится отрицательным ионом O²⁻.
3. Между Mg²⁺ и O²⁻ возникает притяжение противоположных зарядов, которое удерживает ионы вместе.

Ответ: магний отдаёт два электрона, кислород принимает их; в MgO возникает ионная связь. Ионы имеют противоположные заряды, поэтому притягиваются. Перенос электронов объясняет появление ионов, а их притяжение — возникновение связи.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при ковалентной связи электроны полностью переходят от одного атома к другому. Её допускают, смешивая общую электронную пару с передачей электронов при образовании ионов. Проверь себя: если атомы используют одну пару совместно, связь ковалентная; если электроны переданы и возникли заряженные частицы, речь идёт об ионном случае.

Ошибка — называть связь между одинаковыми атомами полярной. Иногда ученик замечает, что в молекуле несколько атомов, и не сравнивает их способность притягивать общую пару. Проверь, одинаковы ли атомы: если да, пара распределена примерно поровну и ковалентная связь неполярная.

Ошибка — считать саму передачу электронов ионной связью. Передача лишь создаёт положительные и отрицательные ионы, а удерживает их вместе притяжение зарядов. Чтобы проверить себя, назови отдельно результат переноса — ионы — и взаимодействие между ними — ионную связь.

Ошибка — определять тип связи только по числу атомов в формуле. Одна формула может показывать разное число частиц, но это не сообщает, как устроена связь между ними. Сначала выясни, соединяются ли атомы общей парой или ионы, и проследи, остаются ли электроны общими либо переходят. Эти признаки надёжнее подсчёта символов.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать химическую связь, нужно знать строение атома, состав электронной оболочки и роль внешних электронов: именно они участвуют в образовании связей. Если представить, какие электроны доступны атому, проще понять, почему появляется общая пара или образуются ионы. Валентность и химическая формула помогают записывать состав вещества и связывать символы элементов с числом атомов. Представления о связях пригодятся дальше, когда нужно будет объяснять строение и свойства веществ.

Что запомнить

• Химическая связь удерживает частицы вместе в составе вещества.
• Ковалентная связь возникает благодаря общим электронным парам.
• Между одинаковыми атомами ковалентная связь обычно неполярная.
• В полярной ковалентной связи общая электронная пара смещена к одному из атомов.
• При образовании ионной связи возникают положительные и отрицательные ионы.
• Ионы удерживаются вместе благодаря взаимному притяжению зарядов.