§ 19. Полярная и неполярная ковалентная связь

Вспомните: как изменяются металлические и неметаллические свойства элементов, а также радиус атомов в периодах и группах (§ 15).

Электроотрицательность химических элементов

Способность атома притягивать общие электронные пары называют электроотрицательностью. Сильнее всего притягивают электроны атомы наиболее активных неметаллических элементов — Флуора, Оксигена, Хлора, так как для завершения внешнего уровня им не хватает одного или двух электронов. И электроны, которые они будут принимать, разместятся достаточно близко к ядру — на втором или третьем электронном уровне. Поэтому электроотрицательность этих элементов наибольшая. Легче всего отдают электроны атомы активных металлических элементов, в первую очередь щелочных — Лития, Натрия, Калия и др. Они проявляют наименьшую электроотрицательность.

Поскольку электроотрицательность — это свойство, связанное с присоединением и потерей электронов, то и изменяться она будет так же, как и неметаллические свойства: в периодах электроотрицательность увеличивается слева направо, а в группах — снизу вверх. Таким образом, элемент с наибольшей электроотрицательностью — Флуор, а с наименьшей — Франций (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Изменение значения электроотрицательности химических элементов в соответствии с их местом в Периодической системе (длинный вариант)

Способ количественного определения электроотрицательности впервые разработал американский химик Лайнус Полинг. По шкале Полинга электроотрицательность Флуора принята за 3,98 (округленно 4), вторым по электроотрицательности является Оксиген (3,44), третьим — Хлор (3,16). Гидроген и типичные неметаллические элементы расположены в середине шкалы; значения их электроотрицательностей близки к 2. Активные металлические элементы имеют значение электроотрицательности меньше 1,6. (Значения электроотрицательностей для химических элементов приведены в Периодической системе на форзаце 1.)

Лайнус Карл Полинг (1901-1994)

Американский химик и физик, дважды лауреат Нобелевской премии: по химии в 1954 г. (за изучение природы химической связи) и премия мира в 1962 г. (за борьбу против распространения ядерного оружия). С детства интересовался наукой, проводил химические опыты на кухне. В период учебы подрабатывал мытьем посуды и сортировкой бумаг. С 1922 г. работал в Калифорнийском технологическом институте, где со временем стал деканом химического факультета. С конца 60-х гг. исследовал влияние витаминов на организм человека и возможность лечения ими раковых заболеваний. Имя Полинга — в числе 20 величайших ученых всех времен.

Полярность ковалентной связи

Ковалентная связь может образоваться между одинаковыми или разными атомами. Атомы разных химических элементов обладают разной электроотрицательностью, так как по-разному притягивают общую электронную пару. Благодаря этому для ковалентной связи характерно свойство, которое называют полярностью ковалентной связи.

Давайте рассмотрим, чем отличается химическая связь в молекулах водорода Н₂, фтора F₂ и гидроген флуорида HF:

Во всех этих молекулах между атомами образуется одинарная ковалентная связь благодаря возникновению одной общей электронной пары. Но в равной ли мере она принадлежит обоим атомам?

В молекулах фтора и водорода общая электронная пара одинаково притягивается к обоим атомам и принадлежит им в равной мере. Такую ковалентную связь называют неполярной. Во всех простых веществах, образованных неметаллическими элементами (например, Н₂, N₂, O₂, S₂), химические связи неполярные.

В молекуле гидроген флуорида атомы Гидрогена и Флуора притягивают электроны по-разному. У Флуора электроотрицательность больше, чем у Гидрогена, поэтому атомы Флуора сильнее притягивают общую электронную пару, чем атомы Гидрогена. Это приводит к смещению общей электронной пары в сторону атома Флуора и увеличению на нем электронной плотности (рис. 19.2). Как следствие, на атоме Флуора появляется некоторый избыточный отрицательный заряд. На атоме Гидрогена, наоборот, электронная плотность уменьшается, следовательно, на нем появляется некоторый положительный заряд. Схематически это изображают так:

Рис. 19.2. В молекуле водорода электронная плотность на обоих атомах одинаковая (а), а в молекуле гидроген флуорида на атоме Флуора электронная плотность больше, благодаря чему на атоме Флуора появляется избыточный отрицательный заряд (б)

Ковалентная неполярная связь:

• общие электроны принадлежат обоим атомам в равной мере

• существует между атомами неметаллических элементов с незначительной разностью электроотрицательностей

Ковалентная полярная связь:

• общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного элемента

• существует между атомами неметаллических элементов с разной электроотрицательностью

Ковалентная связь, образованная атомами разных элементов, называется полярной (поскольку в молекуле появляются полюса электрического заряда). В ковалентной полярной связи общая электронная пара смещена к тому атому, который сильнее притягивает электроны, т. е. к атомам элемента с большей электроотрицательностью. Чем сильнее это смещение общей электронной пары, тем больше полярность связи. Так, в ряду галогеноводородов разность электроотрицательностей между Гидрогеном и Флуором значительно больше, чем между Гидрогеном и Йодом. Таким образом, в гидроген флуориде полярность связи больше, чем в гидроген йодиде:

Поскольку электрон, принадлежавший атому Гидрогена, лишь частично смещается в сторону атома Флуора, то избыточный отрицательный заряд, который появляется на атоме Флуора, меньше элементарного заряда, т. е. меньше заряда электрона (-1). В данном случае он составляет лишь 44 % от заряда электрона. Чтобы не указывать точное значение заряда (а во многих случаях определить его довольно сложно), используют букву δ (дельта). Несомненно то, что заряд на атоме Гидрогена точно равен заряду на атоме Флуора, но противоположен по знаку, то есть сумма зарядов равна нулю. Следовательно, молекула остается электронейтральной. Чем больше разность электроотрицательностей двух атомов, тем больше заряд на атомах.

Зависимость полярности связи от электроотрицательности элементов

Нитроген — довольно активный химический элемент, но азот N₂ — одно из самых инертных веществ, близкое по инертности к инертным газам. Азот даже иногда используют для создания инертной атмосферы при проведении химических реакций вместо более дорогих аргона или гелия. Это объясняется чрезвычайно прочной связью между атомами Нитрогена в молекуле N₂, что и определяет его низкую реакционную способность.

Выводы

1. Полярность ковалентной связи обусловлена разной способностью атомов притягивать общие электроны (электроотрицательностью). Ковалентная связь между одинаковыми атомами является неполярной, а между разными атомами — полярной.

2. В молекуле на атоме более электроотрицательного элемента появляется избыточный отрицательный заряд, а на менее электроотрицательном атоме — положительный. Чем больше разность электроотрицательностей, тем более полярной является связь.

Контрольные вопросы

1. Какую ковалентную связь называют неполярной? полярной? Приведите примеры веществ с такими типами связи.

2. От чего зависит полярность ковалентной связи?

3. Как определить, на каком из атомов, соединенных ковалентной связью, появляется отрицательный заряд, а на каком — положительный?

4. Какое свойство химических элементов называют электроотрицательностью? Как она изменяется в периодах и группах? Назовите наиболее и наименее электроотрицательные элементы. Ответ обоснуйте.

Задания для усвоения материала

1. Выпишите отдельно формулы веществ с полярной и неполярной связью: S₈, NH₃, O₂, OF₂, F₂, ClF₃, P₄, NO₂, NO, N₂.

2. Запишите формулы веществ в порядке увеличения полярности связи в их молекулах: Н₂O, СН₄, HF, NH₃.

3. Пользуясь форзацем 1, вычислите разность между электроотрицательностями элементов в парах: Li-Cl, Be-Cl, B-Cl, С-Сl, N-Cl, О-Сl, F-Cl. Укажите пару элементов с наиболее полярной и наименее полярной связью.

4. Определив разность электроотрицательностей, укажите формулу наиболее полярной молекулы: Н₂, НСl, HF, ClF, Cl₂, F₂.

5. Среди данных веществ выберите соединения с наибольшей и наименьшей полярностью связи: йодоводород НІ, хлороводород HCl, бромоводород НВr, вода Н₂O, сероводород H₂S, хлор Сl₂, метан СН₄, фосфин РН₃.

6. Определите знак частичного заряда на атоме Хлора в молекулах HCI и CIF. Как вы считаете, в какой из этих молекул частичный заряд Хлора больше абсолютной величины?

7. Как изменяется в ряду Н₂O, H₂S, H₂Se, Н₂Те полярность связи? Почему?