Ковалентные неполярные и полярные связи

Ковалентная связь является центральным понятием в химии: большинство органических молекул построены на её основе. Её важнейшим свойством является полярность, которая обуславливает многие свойства молекул, в т.ч. растворимость, реакционную способность и характер взаимодействия с разными веществами. Поэтому неполярные и полярные ковалентные связи являются объектом пристального внимания учёных.

Ковалентная связь – что это

Элементы с высокой энергией ионизации не способны отдавать электроны, а элементы с низкой энергией сродства к электрону – захватывать их. Атомы таких элементов склонны к попарному обобществлению (совместному использованию) электронов, в результате которого валентная оболочка каждого приобретает октетную конфигурацию и становится устойчивой. Такую ассоциацию называют ковалентной связью.

Ковалентная связь формируется между одинаковыми или разными атомами неметаллов, т.е. между атомами с одинаковой или мало различающейся элетроотрицательностью – способностью смещать к себе общие электронные пары в химических соединениях.

Основные типы ковалентных связей

При образовании ковалентной связи происходит перекрывание атомных орбиталей, в зависимости от типа которого различают σ- и π-связи.

Сигма-связь (σ-связь) образуется в результате перекрытия атомных s-орбиталей «по осевой линии», при этом электронная плотность сосредоточена между ядрами связывающих атомов. Это самая прочная из всех ковалентных химических связей.

Пи-связь (π-связь) образуется вследствие перекрытия _p-орбиталей латерально, т.к. по обе стороны от линии соединения атомов. Каждая из этих атомных орбиталей имеет нулевую электронную плотность в общей узловой плоскости, которая проходит через 2 связанных ядра. Пи-связь менее прочная, чем сигма-связь. Но в отличие от неё в сопряжённых системах она может быть делокализована по нескольким атомам, что приводит к повышению стабильности и приобретению ей уникальных свойств: резонансы и ароматичности.

Полярные ковалентные связи

В ковалентных связях общие электронные пары не всегда распределены равномерно между связанными атомами. Если в соединении присутствуют атомы разных элементов, то из-за различия в электроотрицательности один из них притягивает спаренные электроны сильнее. В результате на одной стороне связи происходит накопление частичного отрицательного заряда (δ-), а на другой стороне – частичного положительного заряда (δ+). Она становится полярной.

Например, в 2-атомной молекуле соляной кислоты (HCl) электроотрицательность атомов водорода и хлора составляет 2,2 и 3,16 единиц по шкале Полинга соответственно. Поскольку значение этой величины больше у хлора, то общая электронная пара смещается ближе к нему.

Любая ковалентная связь между атомами разных элементов является полярной, но степень её полярности варьируется в широких пределах.

Неполярные ковалентные связи

Если в молекуле атомы имеют одинаковую электроотрицательность или располагаются так, что разные электрические заряды стремятся к взаимной нейтрализации, то связующая пара электронов равноудалена от ядер этих атомов. Связь между ними неполярная.

Например, в 2-атомной молекуле хлора (Cl₂) присутствуют 2 атома хлора, электроотрицательность каждого из которых составляет 3,16 единиц по шкале Полинга. Поэтому электроны между ними распределены поровну.

Неполярная связь возникает между 2 одинаковыми атомами неметалла или между разными атомами.

Механизмы образования ковалентной связи

Ковалентная связь формируется путём перекрывания валентных атомных оболочек и образованием общей молекулярной оболочки. При этом возможны 2 механизма их взаимодействия:

1. Обменный: при образовании связи каждый атом отдаёт на образование общей электронной пары 1 неспаренный электрон. По такому принципу создано большинство органических молекул. Например, обменный механизм формирования ковалентной связи реализуется в молекулах водорода и хлора.
   
   
   
2. Донорно-акцепторный заключается в том, что один из атомов (донор) отдаёт электронную пару, а второй (акцептор) – предоставляет вакантную валентную орбиталь. Например, такой механизм реализован в молекулах аммония и трифторбората аммония.
   
   
   

Кратность ковалентной связи

В молекулах могут образовываться одновременно несколько общих электронных пар. В этом случае рассчитывается кратность ковалентной связи.

Чем выше кратность, тем выше энергия связи и, соответственно, её прочность. В большинстве случаев между атомами органических молекул образуются от 1 до 3 общих электронных пар. Тогда говорят, что они обладают одинарными, двойными или тройными связями.

Максимально Возможная кратность ковалентной связи равна 6. Но в природе молекулы с 6 общими электронными парами встречаются редко.

Характеристики ковалентной связи

Ковалентным связям присущи специфические характеристики, которые отличают их от прочих типов химических связей. К числу уникальных свойств относятся:

1. Направленность. Смысл направленности ковалентной связи заключается в том, что связываемые атомы выбирают конкретную ориентацию в пространстве. В результате образованные ими молекулы приобретают определённую форму. И поскольку есть ограниченное количество вариантов совместного использования электронов (перекрытия валентных оболочек), то существует немного способов пространственной ориентации ковалентно связанных частиц.
2. Насыщаемость. Она описывается, как максимально возможное количество связей, которые образует определённый атом. Насыщаемость важна, поскольку она определяет общую структуру молекулы.
3. Полярность. Неравномерное распределение электронов между атомами приводит к накоплению положительного и отрицательного заряда на концах молекул, что оказывает существенное влияние на их растворимость и реакционную способность. Кроме того, полярность обуславливает образование водородных связей, определяющих структуру и функции биологических молекул, например ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и белков.

Разберем примеры – задачи и решение

Задача №1. Идентификация типа ковалентной связи

Из предложенного списка выберите 2 соединения, в которых присутствует неполярная ковалентная связь:

1. Гидроксид натрия (NaOH).
2. Вода (H₂O).
3. Пероксид натрия (Na₂O₂).
4. Бромид натрия (NaBr).
5. Белый фосфор (P₄).

В ответе укажите простые формулы выбранных соединений.

Решение:

Неполярная ковалентная связь формируется только между 2 одинаковыми атомами. Они есть в молекулах пероксида натрия (кислородная группировка –O–O–) и белого фосфора. И хотя в молекуле воды присутствует 2 одинаковые атома водорода, они не связаны; каждый соединяется с атомом кислорода.

Ответ: Na₂O₂, P₄.

Задача №2. Идентификация ковалентно связанных атомов

Представлены 3 электронные формулы химических соединений:

Какие из предложенных веществ соответствуют каждой формуле: NH₃, H₂, O₂, F₂, N₂, HBr, HCl, Cl₂? В ответе укажите простые формулы выбранных веществ.

Решение:

1. В первой формуле приведены разные буквенные обозначения, следовательно, она включает атомы разных веществ. Поэтому можно вычеркнуть 5 из 8 молекул: H₂, O₂, F₂, N₂, Cl₂. Далее видим, что в составе соединения присутствуют только 2 разные атома, поэтому NH₃ тоже исключаем.

   Остались вещества HBr и HCl. Элемент H с единственным электроном соответствует символу X. Элементы Br и Cl находятся в VII группе Периодической таблицы, и на их валентном энергетическом слое присутствует по 7 электронов; они соответствуют символу Y. Значит, оба вещества подходят.

2. Во второй формуле приведены одинаковые буквенные обозначения, следовательно, она включает атомы одинаковых веществ. Поэтому можно вычеркнуть 3 из 8 молекул: NH₃, HBr, HCl.

   Остались вещества H₂, O₂, F₂, N₂, Cl₂. Из формулы следует, что элементы содержат по 7 электронов на валентной оболочке. Этому условию соответствуют только F и Cl, т.к. они относятся к VII группе Периодической таблицы. Значит, подходят вещества F₂, Cl₂.

3. В третьей формуле приведены одинаковые буквенные обозначения, следовательно, она включает атомы одинаковых веществ. Поэтому можно вычеркнуть 3 из 8 молекул: NH₃, HBr, HCl.

   Остались вещества H₂, O₂, F₂, N₂, Cl₂. Из формулы следует, что элементы содержат по 5 электронов на валентной оболочке. Этому условию соответствует только N, т.к. он относится к V группе Периодической таблицы. Значит, подходит вещество N₂.

FAQ

Как определить, является ли ковалентная связь полярной или неполярной?

В полярных ковалентных связях электронные пары неравномерно распределены между 2 атомами; при этом степень поляризации определяется разницей электроотрицательностей элементов в пределах от 0,4 до 1,7 единиц по Шкале Полинга. Если этот показатель ниже 0,4 единиц, то ковалентная связь является неполярной, а если выше 1,7 – ионной.

Каковы примеры неполярной ковалентной связи?

Простым примером вещества с неполярной ковалентной связью является углекислый газ. Связь между углеродом и кислородом, имеющими небольшую разницу электроотрицательностей, приводит к неполярному ковалентному взаимодействию.

Каковы примеры полярной ковалентной связи?

В молекуле воды Связь между водородом и кислородом можно классифицировать как полярно-ковалентную. В полной молекуле 2 полярные связи приводят к образованию полярной молекулы в целом.

Вывод

Среди базовых типов химических связей ковалентные наиболее распространены в природе. Они чрезвычайно прочные и в нормальных биологических условиях разрушаются только с помощью ферментов. Но чтобы глубоко понять их суть, важно исследовать свойство полярности, которая характеризуется смещением электронной плотности между связываемыми атомами. Именно полярность определяет структуру и реакционную способность веществ.