Ковалентная связь
Ковалентная связь образуется общими электронными парами двух атомов. Она характерна прежде всего для неметаллов и объясняет существование молекул, а также атомных кристаллов.
Ковалентная связь — химическая связь между атомами, возникающая за счёт образования одной или нескольких общих электронных пар.
Как образуется ковалентная связь
Атомы стремятся получить более устойчивую внешнюю электронную оболочку. Для многих элементов это связано с завершением внешнего уровня до октета — восьми электронов. Водороду достаточно двух электронов, то есть дуэта.
При сближении двух атомов их неспаренные валентные электроны объединяются в общую электронную пару. Эта пара принадлежит обоим атомам и одновременно притягивается к ядрам обоих атомов. Притяжение снижает энергию системы и удерживает атомы вместе.
Точками обозначают валентные электроны, а двоеточием — общую электронную пару. Такое изображение называют электронной формулой связи. Обычно общую пару также изображают чертой: \(\mathrm{A-B}\).
Число общих электронных пар определяет кратность связи. Одна общая пара образует одинарную связь, две — двойную, три — тройную.
Число связей атома в простой молекуле часто находят по числу электронов, которых не хватает до завершения внешнего уровня: для водорода — до 2, для большинства неметаллов второго периода — до 8.
Электронные и структурные формулы
В электронной формуле показывают все валентные электроны: общие пары и неподелённые пары. В структурной формуле общую пару заменяют чертой, а неподелённые пары часто не записывают.
| Вещество | Электронная формула | Структурная формула | Кратность связи |
|---|---|---|---|
| Водород | \(\mathrm{H:H}\) | \(\mathrm{H-H}\) | одинарная |
| Кислород | \(\mathrm{O::O}\) и по две неподелённые пары у каждого O | \(\mathrm{O=O}\) | двойная |
| Азот | \(\mathrm{N:::N}\) и по одной неподелённой паре у каждого N | \(\mathrm{N\equiv N}\) | тройная |
| Вода | две связи O–H и две неподелённые пары у O | \(\mathrm{H-O-H}\) | две одинарные |
Для построения формулы сначала считают валентные электроны всех атомов, затем выбирают центральный атом, соединяют атомы одинарными связями и распределяют оставшиеся электроны. Подробный способ оформления таких схем рассматривается на странице структуры Льюиса.
В обычных школьных задачах сначала поставьте атомы водорода вокруг центрального атома: водород всегда образует только одну связь. Затем проверьте октет центрального атома и при необходимости образуйте кратные связи.
Неполярная и полярная ковалентная связь
Если общая электронная пара притягивается к атомам примерно одинаково, связь называют неполярной ковалентной связью. Обычно она возникает между одинаковыми атомами: \(\mathrm{H_2}\), \(\mathrm{O_2}\), \(\mathrm{N_2}\), \(\mathrm{Cl_2}\).
Если один атом притягивает общую пару сильнее, электронная плотность смещается к нему. Возникает полярная ковалентная связь. На более электроотрицательном атоме появляется частичный отрицательный заряд \(\delta-\), на другом — частичный положительный заряд \(\delta+\). Например, в \(\mathrm{H-Cl}\) электронная пара смещена к хлору.
Способность атома притягивать общую электронную пару называют электроотрицательностью атома. Чем больше различие электроотрицательностей, тем сильнее поляризация связи. Полярность связи и полярность всей молекулы — не одно и то же: симметричные полярные связи могут взаимно компенсироваться.
Ковалентную связь классифицируют также по способу образования электронной пары. В обычной связи каждый атом предоставляет по одному электрону. В донорно-акцепторной связи оба электрона общей пары предоставляет один атом-донор, а второй принимает эту пару свободной орбиталью.
Какая связь образуется в молекуле \(\mathrm{Cl_2}\)?
Свойства ковалентной связи
Ковалентная связь имеет направленность: общая электронная пара располагается в определённой области пространства между ядрами. Поэтому молекулы обладают определённой геометрией. Например, в \(\mathrm{H_2O}\) связи O–H направлены под углом, а не лежат на одной прямой.
Связь характеризуется энергией и длиной химической связи. Чем больше кратность, тем обычно короче и прочнее связь: тройная связь короче двойной, а двойная — одинарной. Разрыв связи требует затрат энергии.
Ковалентные вещества могут существовать как отдельные молекулы или как атомные кристаллы. В молекулярных веществах атомы внутри молекулы соединены прочными ковалентными связями, а между молекулами действуют более слабые взаимодействия. Поэтому многие молекулярные вещества имеют невысокие температуры плавления и кипения.
В алмазе атомы углерода соединены прочными связями в единую пространственную сеть. Это пример вещества с атомной кристаллической решёткой. Вещества, состоящие из отдельных молекул, образуют молекулярную кристаллическую решётку.
Чем прочнее ковалентная сеть или чем больше энергия связей, тем труднее разрушить структуру вещества. Однако электрическая проводимость зависит от наличия свободных заряженных частиц: большинство молекулярных ковалентных веществ ток не проводит.
Разобранный пример: электронная формула аммиака
Постройте электронную и структурную формулы \(\mathrm{NH_3}\) и определите число общих и неподелённых электронных пар.
Показать Шешім Шешім
Электронная формула содержит три общие пары N–H и одну неподелённую пару у азота. Структурная формула записывается как \(\mathrm{NH_3}\) с тремя чертами N–H; неподелённую пару обычно показывают отдельно только в электронной формуле.
Частые ошибки
1. Не путайте число связей с числом электронов: одна общая пара — это два электрона, но одна связь. 2. Не называйте связь в \(\mathrm{HCl}\) ионной только потому, что она полярная: между атомами сохраняется общая пара. 3. Не делайте вывод о полярности молекулы только по одной связи. 4. Не приписывайте водороду октет: его устойчивый внешний уровень содержит два электрона. 5. Не забывайте неподелённые пары при проверке октета.
Одинарная связь — одна общая пара, двойная — две, тройная — три. Общие пары изображают точками или чертами, неподелённые пары принадлежат только одному атому.
Быстрая проверка
Проверьте понимание темы
Главное
- Ковалентная связь возникает за счёт общих электронных пар, образованных валентными электронами атомов.
- Число общих пар определяет кратность связи: одинарную, двойную или тройную.
- Одинаковые атомы обычно образуют неполярную связь, а разные атомы с различной электроотрицательностью — полярную.
- Электронные формулы показывают общие и неподелённые пары; структурные формулы заменяют общие пары чертами.
- Ковалентные вещества могут образовывать отдельные молекулы или атомные кристаллические сети.