Глава V. Химическая связь. Окислительно-восстановительные реакции. § 36. Ковалентная неполярная и полярная химическая связь — с. 159
§ 36. Проверьте свои знания.
1. Что такое электроотрицательность?
Электроотрицательность (ЭО) — это способность атома химического элемента притягивать к себе общие электронные пары. Чем больше электроотрицательность, тем сильнее атом смещает к себе общие пары при образовании химической связи. Наибольшая ЭО у атомов неметаллов фтора, кислорода, азота, хлора, которым до завершения внешнего уровня не хватает 1–3 электронов и которые имеют небольшой радиус. Л. Полинг предложил ряд электроотрицательности: F, O, N, Cl, Br, I, S, C, Se, P, H, As, Si (ЭО уменьшается слева направо). В периоде с увеличением порядкового номера ЭО возрастает, а в группе — уменьшается.
§ 36. Проверьте свои знания.
2. Какая химическая связь называется ковалентной полярной?
Чем она отличается от ковалентной неполярной связи?
Ковалентной полярной называют разновидность ковалентной связи, которая образуется между атомами с разной электроотрицательностью (обычно между атомами разных неметаллов: HCl, H₂O, NH₃, CO₂).
Отличие от неполярной: при неполярной связи (H₂, Cl₂, O₂, N₂) соединяются атомы с одинаковой электроотрицательностью, общая электронная пара расположена симметрично, между атомами, и заряды на атомах не возникают. При полярной связи общая пара смещена к атому с большей ЭО, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд δ−, а на другом атоме — частичный положительный δ+. Например, в Cl₂ заряды отсутствуют, а в Hδ⁺—Clδ⁻ пара смещена к хлору.
Отличие от неполярной: при неполярной связи (H₂, Cl₂, O₂, N₂) соединяются атомы с одинаковой электроотрицательностью, общая электронная пара расположена симметрично, между атомами, и заряды на атомах не возникают. При полярной связи общая пара смещена к атому с большей ЭО, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд δ−, а на другом атоме — частичный положительный δ+. Например, в Cl₂ заряды отсутствуют, а в Hδ⁺—Clδ⁻ пара смещена к хлору.
§ 36. Проверьте свои знания.
3. Запишите схемы образования ковалентных связей в молекулах метана CH₄ и тетрахлорметана CCl₄.
Углерод находится в IVА-группе: на внешнем слое 4 электрона, все неспаренные (8 − 4 = 4), углерод четырёхвалентен. Водород даёт по одному электрону, хлор — по одному неспаренному (8 − 7 = 1).
CH₄: атом C и четыре атома H образуют четыре общие электронные пары. Схема: ·C· (четыре точки вокруг C) + 4 H· → H:C:H с двумя парами по вертикали (в каждой паре один электрон углерода и один водорода), структурная формула: у C четыре валентных штриха к четырём H. У каждого атома H двухэлектронный слой, у C — восьмиэлектронный. Связи C—H ковалентные полярные (ЭО(C) > ЭО(H), общие пары смещены к углероду), молекула симметрична, поэтому не диполь.
CCl₄: четыре атома хлора, у каждого три неподелённые пары и один неспаренный электрон, образуют с углеродом четыре общие пары. Схема: C (четыре неспаренных электрона) + 4 ·Cl: → углерод в центре, вокруг четыре атома Cl, между C и каждым Cl общая пара; у каждого Cl ещё по три неподелённые пары. Структурная формула: C с четырьмя штрихами к четырём Cl. Каждый атом в молекуле имеет октет. Связи C—Cl ковалентные полярные (пара смещена к хлору, у которого ЭО больше), молекула симметрична и неполярна.
CH₄: атом C и четыре атома H образуют четыре общие электронные пары. Схема: ·C· (четыре точки вокруг C) + 4 H· → H:C:H с двумя парами по вертикали (в каждой паре один электрон углерода и один водорода), структурная формула: у C четыре валентных штриха к четырём H. У каждого атома H двухэлектронный слой, у C — восьмиэлектронный. Связи C—H ковалентные полярные (ЭО(C) > ЭО(H), общие пары смещены к углероду), молекула симметрична, поэтому не диполь.
CCl₄: четыре атома хлора, у каждого три неподелённые пары и один неспаренный электрон, образуют с углеродом четыре общие пары. Схема: C (четыре неспаренных электрона) + 4 ·Cl: → углерод в центре, вокруг четыре атома Cl, между C и каждым Cl общая пара; у каждого Cl ещё по три неподелённые пары. Структурная формула: C с четырьмя штрихами к четырём Cl. Каждый атом в молекуле имеет октет. Связи C—Cl ковалентные полярные (пара смещена к хлору, у которого ЭО больше), молекула симметрична и неполярна.
§ 36. Проверьте свои знания.
4. Запишите схемы образования ковалентных связей в молекуле пероксида водорода H₂O₂.
В молекуле H₂O₂ атомы соединены в цепочку H—O—O—H. У атома кислорода на внешнем слое 6 электронов: две неподелённые пары и два неспаренных электрона (8 − 6 = 2), т. е. кислород двухвалентен. У водорода один электрон, водород одновалентен.
Каждый атом кислорода использует один неспаренный электрон на связь с атомом водорода, второй — на связь с другим атомом кислорода. Схема: H· + ·Ö· + ·Ö· + ·H → H:Ö:Ö:H (три общие пары, у каждого O по две неподелённые пары), или H—O—O—H.
Связи O—H ковалентные полярные: общие пары смещены к кислороду (ЭО(O) > ЭО(H)), на кислороде δ⁻, на водороде δ⁺. Связь O—O между одинаковыми атомами ковалентная неполярная. У каждого кислорода в итоге восемь электронов, у водорода — два.
Каждый атом кислорода использует один неспаренный электрон на связь с атомом водорода, второй — на связь с другим атомом кислорода. Схема: H· + ·Ö· + ·Ö· + ·H → H:Ö:Ö:H (три общие пары, у каждого O по две неподелённые пары), или H—O—O—H.
Связи O—H ковалентные полярные: общие пары смещены к кислороду (ЭО(O) > ЭО(H)), на кислороде δ⁻, на водороде δ⁺. Связь O—O между одинаковыми атомами ковалентная неполярная. У каждого кислорода в итоге восемь электронов, у водорода — два.
§ 36. Примените свои знания.
5. Расположите в ряд по увеличению полярности ковалентной связи формулы следующих веществ: а) бромоводород; б) фтороводород; в) хлороводород; г) иодоводород. Поясните свой ответ.
Формулы: а) HBr, б) HF, в) HCl, г) HI.
Полярность связи тем больше, чем сильнее различаются электроотрицательности связанных атомов. Во всех веществах второй атом — водород, значит, полярность определяется ЭО галогена. В группе VIIА ЭО убывает сверху вниз: F → Cl → Br → I (так же в ряду Полинга F → O → N → Cl → Br → I → … → H). Следовательно, разность ЭО с водородом наибольшая у фтора и наименьшая у иода.
Ряд по увеличению полярности связи: HI < HBr < HCl < HF, т. е. г) < а) < в) < б). Общая электронная пара смещена к галогену, на нём δ⁻, на водороде δ⁺, и больше всего это выражено в HF.
Полярность связи тем больше, чем сильнее различаются электроотрицательности связанных атомов. Во всех веществах второй атом — водород, значит, полярность определяется ЭО галогена. В группе VIIА ЭО убывает сверху вниз: F → Cl → Br → I (так же в ряду Полинга F → O → N → Cl → Br → I → … → H). Следовательно, разность ЭО с водородом наибольшая у фтора и наименьшая у иода.
Ряд по увеличению полярности связи: HI < HBr < HCl < HF, т. е. г) < а) < в) < б). Общая электронная пара смещена к галогену, на нём δ⁻, на водороде δ⁺, и больше всего это выражено в HF.
§ 36. Примените свои знания.
6. Запишите структурные формулы и определите знаки частичных зарядов на атомах в молекулах аммиака NH₃ и сернистого газа SO₂.
Аммиак NH₃. Азот (VА-группа) имеет 3 неспаренных электрона (8 − 5 = 3) и трёхвалентен, водород одновалентен. Структурная формула: атом N, связанный тремя валентными штрихами с тремя атомами H (H—N—H, третий H связан с N снизу). Электроотрицательность азота больше, чем водорода (в ряду Полинга N стоит раньше H), поэтому общие пары смещены к азоту: на азоте частичный отрицательный заряд δ⁻, на каждом атоме водорода δ⁺. Молекула пирамидальная, она полярная (диполь).
Сернистый газ SO₂. Кислород двухвалентен, сера в этом оксиде четырёхвалентна. Структурная формула O=S=O (две двойные связи). Электроотрицательность кислорода больше, чем серы (в ряду Полинга O стоит раньше S), поэтому пары смещены к кислороду: на атомах кислорода δ⁻, на атоме серы δ⁺ (O(δ⁻)⇇S(δ⁺)⇉O(δ⁻)). Молекула угловая, поэтому диполь.
Сернистый газ SO₂. Кислород двухвалентен, сера в этом оксиде четырёхвалентна. Структурная формула O=S=O (две двойные связи). Электроотрицательность кислорода больше, чем серы (в ряду Полинга O стоит раньше S), поэтому пары смещены к кислороду: на атомах кислорода δ⁻, на атоме серы δ⁺ (O(δ⁻)⇇S(δ⁺)⇉O(δ⁻)). Молекула угловая, поэтому диполь.