Глава V.36 Ковалентная неполярная и полярная химическая связь

Нетрудно предположить, что молекулы, построенные из атомов разных элементов, отличаются от молекул, состоящих из атомов одного химического элемента. Это происходит потому, что ядра атомов разных элементов притягивают к себе связывающие их электронные пары с разной силой. В результате один атом получает небольшой отрицательный заряд, так как на него приходится бо́льшая доля связывающих электронов. Другой атом, наоборот, получает частичный положительный заряд, так как его доля связывающих электронов меньше. Такие заряды обозначаются греческой буквой дельта δ. Рассмотрим образование молекулы хлороводорода HCl:

В молекуле хлороводорода общая электронная пара смещена к атому хлора, в результате чего на нём образуется частичный отрицательный заряд Cl^–0,18. Понятно, что на атоме водорода возникнет частичный положительный заряд H^+0,18. Смещение общих электронных пар в структурных формулах веществ, образованных ковалентной полярной связью, иногда обозначают стрелкой: H^+δ → Cl^–δ. В молекуле возникают два полюса – положительный и отрицательный. Поэтому такую ковалентную связь называют полярной, а молекулу – диполем. Полярные двухатомные молекулы имеют линейную структуру с противоположно заряженными концами – полюсами.

А если молекула построена из большего числа атомов и имеет, например, угловую структуру?

Рассмотрим образование химических связей в молекуле воды Н₂O.

Атом кислорода имеет шесть электронов на внешнем энергетическом уровне (кислород – элемент VIА-группы Периодической системы Д. И. Менделеева). На этом слое будет две электронные пары и два непарных электрона (8 – 6 = 2). Очевидно, для завершения внешнего слоя атому кислорода придётся образовать химическую связь с двумя атомами водорода:

Общие электронные пары от атомов одновалентного водорода будут смещены к атому двухвалентного кислорода. Следовательно, между этими атомами возникнет одинарная ковалентная полярная связь.

H^δ+→O^δ−←H ^δ+

На самом деле у молекулы воды не линейная, а угловая форма. Угол между двумя связями Н–О равен 104,5°. Молекула воды имеет два полюса, т. е. является диполем:

В молекуле углекислого газа атомы достигают завершённых энергетических уровней в том случае, если на один атом углерода будет приходиться два атома кислорода. При этом между атомами возникает по две общие электронные пары, т. е. каждая связь углерод — кислород двойная:

Запишем структурную формулу углекислого газа:

Нетрудно заметить, что углерод в молекуле углекислого газа четырёхвалентен, а кислород – двухвалентен.

Несмотря на то что связи между атомами углерода и кислорода полярные, эта молекула не диполь: она не является полярной молекулой из-за того, что имеет линейное строение. Следовательно, полярность молекулы зависит от двух факторов: полярности химической связи и геометрической формы молекулы.

Смещение общих электронных пар к тому или иному атому при образовании химической связи характеризует особая величина, которую называют электроотрицательностью (ЭО).

Наибольшей электроотрицательностью обладают атомы неметаллов – фтора, кислорода, азота и хлора, так как им до завершения внешнего энергетического уровня не хватает 1–3 электронов и они имеют сравнительно небольшой радиус атома.

Для характеристики электроотрицательности элементов выдающийся американский учёный, дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг предложил ряд электроотрицательности:

В этом ряду химические элементы-неметаллы расположены в порядке уменьшения электроотрицательности.

Используя это понятие, нетрудно дать ещё одно определение ковалентной неполярной связи.

Попробуйте сами дать определение ковалентной полярной связи.

Разновидность ковалентной химической связи, которая образуется между атомами с разной электроотрицательностью, называют ковалентной полярной связью.

Величина электроотрицательности химического элемента зависит от его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева: в каждом периоде с увеличением порядкового номера химического элемента она возрастает, а в каждой группе с увеличением порядкового номера химического элемента уменьшается.

Твёрдые кристаллические вещества, состоящие из молекул, имеют молекулярные кристаллические решётки. Например, белый фосфор, иод, нафталин, углекислый газ (рис. 72). Напомним, что такие вещества непрочные, летучие, легкоплавкие. Многие из них могут переходить из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.
Как вы уже знаете, это явление называют сублимацией или возгонкой. Например, оно лежит в основе применения твёрдого углекислого газа — сухого льда — для хранения и транспортировки продуктов питания, медицинских препаратов и т. п.

Подчеркнём ещё раз, что вещества, образованные ковалентной полярной связью, могут иметь не только молекулярные, но и атомные кристаллические решётки.

Например, оксид кремния (IV), формула которого SiO₂, – основной компонент кварца (рис. 73), кремнезёма, речного песка, горного хрусталя, а оксид алюминия, формула которого Al₂O₃, – основной компонент рубина, сапфира (рис. 74, 75), корунда. Такие вещества очень прочные, твёрдые и тугоплавкие.