Глава V. Химическая связь. Окислительно-восстановительные реакции. § 35. Ковалентная химическая связь — с. 155
§ 35. Проверьте свои знания.
1. Какую химическую связь называют ковалентной?
Каков механизм её образования?
Как определить число непарных электронов на внешнем энергетическом уровне атома?
Как обозначают электронные формулы внешнего энергетического уровня атомов?
Ковалентной называют химическую связь, возникающую между атомами за счёт образования общих электронных пар (обычно между атомами неметаллов).
Механизм образования: каждый из двух атомов предоставляет в общее пользование по одному неспаренному электрону. Образуется общая электронная пара, которая одновременно принадлежит обоим атомам. Благодаря ей каждый атом получает завершённый внешний слой: двухэлектронный (как у гелия) у водорода или восьмиэлектронный (как у неона, аргона) у остальных неметаллов.
Число неспаренных электронов на внешнем уровне атома элемента-неметалла находят вычитанием: из восьми вычитают номер группы (число внешних электронов). Например, для азота (VА-группа) 8 − 5 = 3 неспаренных электрона, остальные два внешних электрона образуют одну электронную пару; для хлора 8 − 7 = 1; для кислорода 8 − 6 = 2.
Электронные формулы внешнего уровня записывают так: рядом с символом элемента ставят точки, обозначающие внешние электроны; пару электронов изображают двумя точками (двоеточием), неспаренный электрон — одной точкой. Например, у хлора три пары и один неспаренный электрон (:Cl·, пары сверху, снизу и слева), у азота одна пара и три неспаренных электрона, у водорода — одна точка (H·).
Механизм образования: каждый из двух атомов предоставляет в общее пользование по одному неспаренному электрону. Образуется общая электронная пара, которая одновременно принадлежит обоим атомам. Благодаря ей каждый атом получает завершённый внешний слой: двухэлектронный (как у гелия) у водорода или восьмиэлектронный (как у неона, аргона) у остальных неметаллов.
Число неспаренных электронов на внешнем уровне атома элемента-неметалла находят вычитанием: из восьми вычитают номер группы (число внешних электронов). Например, для азота (VА-группа) 8 − 5 = 3 неспаренных электрона, остальные два внешних электрона образуют одну электронную пару; для хлора 8 − 7 = 1; для кислорода 8 − 6 = 2.
Электронные формулы внешнего уровня записывают так: рядом с символом элемента ставят точки, обозначающие внешние электроны; пару электронов изображают двумя точками (двоеточием), неспаренный электрон — одной точкой. Например, у хлора три пары и один неспаренный электрон (:Cl·, пары сверху, снизу и слева), у азота одна пара и три неспаренных электрона, у водорода — одна точка (H·).
§ 35. Проверьте свои знания.
2. Сравните ионную и ковалентную связи.
Сходство: обе связи возникают потому, что атомы стремятся завершить внешний энергетический уровень (получить 2 или 8 электронов), и обе имеют электростатическую природу.
Различия. Ионная связь образуется между атомами типичных металлов и неметаллов (NaCl, CaF₂): электроны полностью переходят от атома металла к атому неметалла, возникают противоположно заряженные ионы (Na⁺, Cl⁻), которые притягиваются друг к другу. Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов (H₂, Cl₂, HCl, H₂O): электроны не переходят, а образуют общие электронные пары, принадлежащие обоим атомам; ионов нет, заряды атомов не возникают (или возникают лишь небольшие частичные).
Вещества с ионной связью имеют ионные кристаллические решётки, твёрдые, тугоплавкие, их расплавы и растворы проводят ток. Вещества с ковалентной связью имеют молекулярные (лёгкоплавкие, летучие) или атомные (очень прочные, тугоплавкие) решётки. Ионная связь не обладает направленностью и насыщаемостью, ковалентная — направленная и насыщаемая (число связей ограничено числом неспаренных электронов).
Различия. Ионная связь образуется между атомами типичных металлов и неметаллов (NaCl, CaF₂): электроны полностью переходят от атома металла к атому неметалла, возникают противоположно заряженные ионы (Na⁺, Cl⁻), которые притягиваются друг к другу. Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов (H₂, Cl₂, HCl, H₂O): электроны не переходят, а образуют общие электронные пары, принадлежащие обоим атомам; ионов нет, заряды атомов не возникают (или возникают лишь небольшие частичные).
Вещества с ионной связью имеют ионные кристаллические решётки, твёрдые, тугоплавкие, их расплавы и растворы проводят ток. Вещества с ковалентной связью имеют молекулярные (лёгкоплавкие, летучие) или атомные (очень прочные, тугоплавкие) решётки. Ионная связь не обладает направленностью и насыщаемостью, ковалентная — направленная и насыщаемая (число связей ограничено числом неспаренных электронов).
§ 35. Проверьте свои знания.
3. Запишите схему образования ковалентной связи на примере молекулы хлора.
Атом хлора находится в VIIА-группе и содержит на внешнем уровне 7 электронов: три электронные пары и один неспаренный электрон (8 − 7 = 1). До завершения восьмиэлектронного слоя каждому атому не хватает одного электрона. Два атома хлора объединяют свои неспаренные электроны в одну общую электронную пару:
·Cl: + ·Cl: → :Cl:Cl: (общая пара расположена между атомами), или Cl—Cl.
Каждый атом при этом имеет вокруг себя восемь электронов (три собственные пары и общую). Связь одинарная, ковалентная неполярная, так как атомы одного элемента притягивают общую пару одинаково. Молекула Cl₂ двухатомна, хлор одновалентен. Формула Cl₂ → Cl—Cl.
·Cl: + ·Cl: → :Cl:Cl: (общая пара расположена между атомами), или Cl—Cl.
Каждый атом при этом имеет вокруг себя восемь электронов (три собственные пары и общую). Связь одинарная, ковалентная неполярная, так как атомы одного элемента притягивают общую пару одинаково. Молекула Cl₂ двухатомна, хлор одновалентен. Формула Cl₂ → Cl—Cl.
§ 35. Примените свои знания.
4. Молекула простого вещества состоит из двух атомов. Сумма чисел протонов в ядрах атомов, образующих молекулу, равна 16, что на четырнадцать меньше общего числа нейтронов. Определите: а) формулу вещества; б) какие изотопы данного элемента образовали молекулу; в) какой вид химической связи реализуется в этом веществе.
а) Молекула простого вещества состоит из двух атомов одного элемента, поэтому на каждый атом приходится по 16 : 2 = 8 протонов. Порядковый номер 8 — кислород. Формула вещества O₂.
б) Изотопы кислорода: ¹⁶₈O (8 протонов и 8 нейтронов), ¹⁷₈O (8 протонов и 9 нейтронов), ¹⁸₈O (8 протонов и 10 нейтронов). По условию нейтронов в молекуле должно быть 16 + 14 = 30, т. е. в среднем по 15 на атом, а у атомов кислорода их не больше 10 (максимум 10 + 10 = 20 в молекуле ¹⁸O₂). Поэтому числовое условие согласовать с изотопами кислорода нельзя; молекулу образуют атомы изотопов кислорода с массовыми числами 16, 17, 18 (наиболее распространён ¹⁶O, молекула ¹⁶O₂: 16 протонов, 16 нейтронов).
в) Атомы кислорода одинаковы, электроотрицательность одинакова; у каждого атома на внешнем слое 6 электронов, 2 неспаренных (8 − 6 = 2), поэтому образуются две общие электронные пары: :Ö::Ö: , или O=O. Связь ковалентная неполярная, двойная.
Оговорка: числовое условие (30 нейтронов при 16 протонах) для двухатомной молекулы кислорода невозможно (максимум 20 нейтронов), вероятно, в условии опечатка; формула O₂ и вид связи определяются однозначно по числу протонов.
б) Изотопы кислорода: ¹⁶₈O (8 протонов и 8 нейтронов), ¹⁷₈O (8 протонов и 9 нейтронов), ¹⁸₈O (8 протонов и 10 нейтронов). По условию нейтронов в молекуле должно быть 16 + 14 = 30, т. е. в среднем по 15 на атом, а у атомов кислорода их не больше 10 (максимум 10 + 10 = 20 в молекуле ¹⁸O₂). Поэтому числовое условие согласовать с изотопами кислорода нельзя; молекулу образуют атомы изотопов кислорода с массовыми числами 16, 17, 18 (наиболее распространён ¹⁶O, молекула ¹⁶O₂: 16 протонов, 16 нейтронов).
в) Атомы кислорода одинаковы, электроотрицательность одинакова; у каждого атома на внешнем слое 6 электронов, 2 неспаренных (8 − 6 = 2), поэтому образуются две общие электронные пары: :Ö::Ö: , или O=O. Связь ковалентная неполярная, двойная.
Оговорка: числовое условие (30 нейтронов при 16 протонах) для двухатомной молекулы кислорода невозможно (максимум 20 нейтронов), вероятно, в условии опечатка; формула O₂ и вид связи определяются однозначно по числу протонов.
§ 35. Примените свои знания.
5. Число общих электронных пар между двумя атомами в молекулах характеризует кратность ковалентной связи: одинарная, двойная или тройная. Какова кратность ковалентной связи в молекулах веществ, формулы которых H₂, Cl₂, N₂?
H₂: у каждого атома водорода один электрон, образуется одна общая пара, H—H, связь одинарная.
Cl₂: у каждого атома хлора один неспаренный электрон (8 − 7 = 1), одна общая пара, Cl—Cl, связь одинарная.
N₂: у каждого атома азота пять внешних электронов, из них три неспаренных (8 − 5 = 3), образуются три общие электронные пары, N≡N, связь тройная.
Во всех трёх молекулах связь ковалентная неполярная, так как атомы одинаковы.
Cl₂: у каждого атома хлора один неспаренный электрон (8 − 7 = 1), одна общая пара, Cl—Cl, связь одинарная.
N₂: у каждого атома азота пять внешних электронов, из них три неспаренных (8 − 5 = 3), образуются три общие электронные пары, N≡N, связь тройная.
Во всех трёх молекулах связь ковалентная неполярная, так как атомы одинаковы.
§ 35. Примените свои знания.
6. Найдите объём (н. у.), который занимают 112 г азота.
Дано: m(N₂) = 112 г; условия нормальные. Найти: V(N₂).
Решение: M(N₂) = 14 · 2 = 28 г/моль. n(N₂) = m : M = 112 г : 28 г/моль = 4 моль. V(N₂) = n · Vm = 4 моль · 22,4 л/моль = 89,6 л.
Ответ: V(N₂) = 89,6 л.
Решение: M(N₂) = 14 · 2 = 28 г/моль. n(N₂) = m : M = 112 г : 28 г/моль = 4 моль. V(N₂) = n · Vm = 4 моль · 22,4 л/моль = 89,6 л.
Ответ: V(N₂) = 89,6 л.
§ 35. Выразите своё мнение.
7. Американский химик Гилберт Льюис в своей работе «Валентность и структура атомов и молекул» в 1923 г. утверждал, что число электронных пар у атомов в молекулах, как правило, равно четырём. Используйте это утверждение для обоснования постоянного состава двухатомных молекул. Почему это утверждение несостоятельно для двухатомной молекулы водорода?
Четыре электронные пары — это восемь электронов, т. е. завершённый (октетный) внешний слой атома. В молекуле атом считает и общие пары (они принадлежат обоим атомам), и собственные неподелённые пары. Поэтому молекула устойчива лишь тогда, когда у каждого атома набирается четыре пары, и это определяет постоянное число атомов в молекуле.
Фтор F₂ и хлор Cl₂: у каждого атома 7 электронов, три неподелённые пары и один неспаренный электрон. Одна общая пара даёт 3 + 1 = 4 пары, поэтому молекула из двух атомов (F—F, Cl—Cl); третий атом присоединиться не может, так как у обоих атомов октет уже завершён. Кислород O₂: 6 электронов, две неподелённые пары и два неспаренных электрона; две общие пары дают 2 + 2 = 4 пары (O=O). Азот N₂: одна неподелённая пара и три неспаренных электрона; три общие пары дают 1 + 3 = 4 пары (N≡N). Значит, двухатомный состав этих веществ постоянен, а кратность связи определяется тем, сколько пар не хватает до четырёх.
Для водорода утверждение несостоятельно: у атома водорода только один энергетический уровень, на котором помещается не более двух электронов (одной пары), как у гелия. В молекуле H₂ у каждого атома всего одна электронная пара (общая): H:H. Четыре пары (восемь электронов) на первом уровне разместиться не могут, поэтому для водорода действует правило дублета, а не октета.
Фтор F₂ и хлор Cl₂: у каждого атома 7 электронов, три неподелённые пары и один неспаренный электрон. Одна общая пара даёт 3 + 1 = 4 пары, поэтому молекула из двух атомов (F—F, Cl—Cl); третий атом присоединиться не может, так как у обоих атомов октет уже завершён. Кислород O₂: 6 электронов, две неподелённые пары и два неспаренных электрона; две общие пары дают 2 + 2 = 4 пары (O=O). Азот N₂: одна неподелённая пара и три неспаренных электрона; три общие пары дают 1 + 3 = 4 пары (N≡N). Значит, двухатомный состав этих веществ постоянен, а кратность связи определяется тем, сколько пар не хватает до четырёх.
Для водорода утверждение несостоятельно: у атома водорода только один энергетический уровень, на котором помещается не более двух электронов (одной пары), как у гелия. В молекуле H₂ у каждого атома всего одна электронная пара (общая): H:H. Четыре пары (восемь электронов) на первом уровне разместиться не могут, поэтому для водорода действует правило дублета, а не октета.