Ковалентная связь

В теме 2.2 мы выяснили, что устойчив атом с завершённым внешним слоем, как у благородных газов. Атомы других элементов добиваются такого слоя, соединяясь друг с другом. Поэтому в природе почти нет одиночных атомов, кроме атомов благородных газов: водород существует в виде молекул \(\ce{H2}\), кислород — \(\ce{O2}\), натрий и хлор образуют соль. Как именно атомы удерживают друг друга, и объясняет учение о химической связи.

Что такое химическая связь

Химическая связь — это взаимодействие, которое удерживает атомы (или ионы) друг возле друга в молекулах и кристаллах. Связь образуется за счёт внешних электронов, и её вид зависит от того, как эти электроны распределяются между атомами. Различают ковалентную, ионную и металлическую связь; начнём с ковалентной.

Общая электронная пара

Рассмотрим молекулу водорода. У каждого атома водорода один электрон, а до завершённого слоя, как у гелия, нужно два. Когда атомы сближаются, их электроны становятся общими, и каждый атом получает в своё распоряжение оба электрона. Так возникает общая электронная пара, которая притягивается к обоим ядрам и связывает их. Связь, образованную общими электронными парами, называют ковалентной.

Так же образуется молекула хлора. У атома хлора на внешнем слое 7 электронов, одного не хватает до восьми. Два атома хлора образуют одну общую пару, и у каждого на внешнем слое становится по 8 электронов. Общую пару в структурной формуле изображают чёрточкой: \(\ce{H-H}\), \(\ce{Cl-Cl}\).

Ковалентная неполярная связь

В молекулах \(\ce{H2}\) и \(\ce{Cl2}\) атомы одинаковые, поэтому они притягивают общую пару с одинаковой силой, и пара находится точно посередине между ядрами. Такую связь называют ковалентной неполярной связью. Она образуется между атомами одного и того же неметалла: в молекулах водорода, кислорода, азота, галогенов, а также в кристаллах алмаза, кремния, серы и фосфора.

Кратность связи

Иногда для завершения слоя одной пары мало. У атома кислорода 6 внешних электронов, до восьми не хватает двух, поэтому два атома кислорода образуют две общие пары — двойную связь \(\ce{O=O}\). У атома азота 5 внешних электронов, и в молекуле азота три общие пары — тройная связь \(\ce{N#N}\). Число общих электронных пар между двумя атомами называют кратностью связи. Связь бывает одинарной, двойной и тройной; чем выше кратность, тем связь прочнее и короче.

Ковалентная полярная связь

Если общую пару образуют атомы разных неметаллов, картина меняется. В молекуле хлороводорода \(\ce{HCl}\) хлор электроотрицательнее водорода (тема 1.3), поэтому общая пара смещена к хлору. На атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд, на атоме водорода — частичный положительный. Связь между атомами разных неметаллов, при которой общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому, называют ковалентной полярной связью. Она есть в молекулах воды \(\ce{H2O}\), аммиака \(\ce{NH3}\), метана \(\ce{CH4}\), углекислого газа \(\ce{CO2}\), в кислотах.

Полярность связи тем больше, чем сильнее различаются электроотрицательности атомов. В ряду \(\ce{HF}\), \(\ce{HCl}\), \(\ce{HBr}\), \(\ce{HI}\) разница электроотрицательностей уменьшается, и связь становится всё менее полярной. Связь \(\ce{O-H}\) в воде полярнее связи \(\ce{C-H}\) в метане, потому что кислород электроотрицательнее углерода.