Ковалентний полярний і неполярний зв’язок

Ковалентний зв'язок — це хімічний зв'язок, який виникає між атомами завдяки утворенню спільних електронних пар. У найпростішій моделі одна спільна електронна пара відповідає одинарному ковалентному зв'язку. Якщо атоми з'єднуються двома або трьома спільними парами, утворюються подвійний або потрійний зв'язки (про це йтиметься в наступному уроці).

Вирішальну роль у тому, чи буде спільна пара зміщена до одного з атомів, відіграє електронегативність — здатність атома притягувати до себе електрони хімічного зв'язку. Якщо два атоми мають однакову електронегативність (тобто це атоми одного хімічного елемента), спільна пара розташована симетрично між ними. Такий зв'язок називають неполярним ковалентним. Приклади: H–H, Cl–Cl, O=O, N≡N.

Коли ж атоми різні, їхня електронегативність відрізняється. Спільна електронна пара зміщується до атома з більшою електронегативністю. На атомі, до якого змістилася пара, виникає частковий негативний заряд (δ⁻), а на іншому атомі — частковий позитивний заряд (δ⁺). Такий зв'язок називають полярним ковалентним. Символ δ (дельта) позначає саме частковий, а не цілий йонний заряд — молекула залишається електронейтральною.

Як визначити полярність за електронегативністю

Розгляньмо кілька конкретних прикладів:

• H₂ (H–H): обидва атоми Гідрогену мають однакову електронегативність → спільна пара не зміщена → зв'язок неполярний.

• Cl₂ (Cl–Cl): обидва атоми Хлору однакові → зв'язок неполярний.

• O₂ (O=O): обидва атоми Оксигену однакові → зв'язок неполярний.

• HCl (H–Cl): електронегативність Cl більша, ніж H → спільна пара зміщена до Cl → зв'язок полярний: Hδ⁺–Clδ⁻.

• H₂O (H–O–H): електронегативність O більша, ніж H → кожен зв'язок O–H полярний: Hδ⁺–Oδ⁻.

Важливо запам'ятати: у газоподібному хлороводні HCl молекула має ковалентний полярний зв'язок — це не йонна сполука. Цілі заряди (як у Na⁺Cl⁻) виникають лише тоді, коли різниця електронегативностей настільки велика, що електрон майже повністю переходить до електронегативнішого атома. У HCl цього не відбувається.

Запам'ятай: δ⁺ і δ⁻ — це часткові заряди, а не цілі числа. Вони показують лише нерівномірний розподіл електронної густини в межах ковалентного зв'язку.

Полярність окремого зв'язку залежить від різниці електронегативностей двох атомів. Чим більша ця різниця, тим більш полярним є зв'язок. Оскільки на НМТ не дають таблиці числових значень електронегативності, слід користуватися закономірностями періодичної системи: електронегативність зростає в періоді зліва направо і в групі знизу вгору.

Ряд полярності гідроген галогенідів

Розгляньмо галогеніди Гідрогену: HF, HCl, HBr, HI. Усі вони мають полярний ковалентний зв'язок, але полярність зменшується в міру того, як зменшується різниця електронегативностей:

• H–F — найбільша різниця електронегативностей (F — найелектронегативніший елемент), тому зв'язок найбільш полярний.

• H–Cl — менша різниця, ніж у HF, зв'язок менш полярний.

• H–Br — ще менша різниця.

• H–I — найменша різниця серед цих чотирьох, зв'язок найменш полярний.

Отже, за полярністю зв'язку: HF > HCl > HBr > HI. Цей ряд легко запам'ятати: чим далі вниз за групою стоїть галоген, тим менша його електронегативність і тим менш полярним є зв'язок із Гідрогеном.

Полярність зв'язку ≠ полярність молекули

Це одне з найважливіших розрізнень у темі «Хімічний зв'язок». Полярність молекули залежить не лише від полярності окремих зв'язків, а й від геометричної форми молекули. Якщо молекула симетрична, вектори дипольних моментів полярних зв'язків можуть компенсувати один одного, і молекула загалом буде неполярною.

У вуглекислому газі CO₂ обидва зв'язки C=O полярні (Оксиген електронегативніший за Карбон), але молекула лінійна й симетрична: зміщення електронної густини до одного атома Оксигену врівноважується таким самим зміщенням до іншого. Тому молекула CO₂ неполярна. Натомість вода H₂O має кутову форму — вектори не компенсуються, і молекула полярна.

Не плутай: полярність зв'язку — властивість окремого хімічного зв'язку між двома атомами, а полярність молекули — властивість усієї молекули, яка залежить від її симетрії.

На НМТ не вимагають запам'ятовувати числові значення електронегативності. Достатньо вміти порівнювати електронегативність елементів за їхнім положенням у періодичній системі. Також не існує жорсткого числового порогу, який би завжди відділяв ковалентний полярний зв'язок від йонного — цей перехід поступовий.

Ковалентний зв'язок може утворюватися двома різними механізмами: обмінним і донорно-акцепторним. Вони відрізняються тим, звідки беруться електрони для спільної пари.

Обмінний механізм

Обмінний механізм — це найпоширеніший спосіб утворення ковалентного зв'язку. Кожен атом надає по одному електрону для утворення спільної електронної пари. Ці електрони були неспареними в атомах до утворення зв'язку.

Найпростіший приклад — молекула H₂. Кожен атом Гідрогену має один неспарений електрон (1s¹). Коли два атоми зближуються, ці два електрони утворюють спільну пару, яка належить обом атомам. Схематично: H· + ·H → H : H (або H–H).

Інший приклад — утворення амоніаку NH₃. Атом Нітрогену має три неспарені електрони на зовнішньому рівні (2s²2p³ — три p-електрони неспарені). Кожен із трьох атомів Гідрогену надає по одному електрону. Утворюються три спільні пари — три зв'язки N–H. Усі вони утворені за обмінним механізмом.

Донорно-акцепторний механізм

За донорно-акцепторним механізмом спільна електронна пара утворюється інакше: один атом (донор) надає вже готову неподілену електронну пару, а інший атом (акцептор) — вільну орбіталь, на яку ця пара може розміститися.

Розгляньмо утворення йона амонію NH₄⁺ з амоніаку NH₃ та йона Гідрогену H⁺:

• У молекулі NH₃ атом Нітрогену має неподілену електронну пару (два електрони, які не беруть участі в утворенні зв'язків N–H).

• Йон H⁺ — це протон, у якого взагалі немає електронів, але є вільна орбіталь (1s-орбіталь).

• Нітроген (донор) надає свою неподілену пару, а H⁺ (акцептор) приймає її на свою вільну орбіталь.

• Утворюється четвертий зв'язок N–H, і виникає йон NH₄⁺.

Схематично: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. Тут N — донор, H⁺ — акцептор.

Аналогічно утворюється йон гідроксонію H₃O⁺:

• У молекулі H₂O атом Оксигену має дві неподілені електронні пари.

• Одна з них надається йону H⁺ (акцептору).

• Утворюється H₃O⁺: H₂O + H⁺ → H₃O⁺. Донор — O, акцептор — H⁺.

Рівноцінність зв'язків у NH₄⁺

Дуже важливий момент: після утворення йона NH₄⁺ усі чотири зв'язки N–H абсолютно рівноцінні. Хоча один із них виник за донорно-акцепторним механізмом, а три — за обмінним, у готовому йоні не можна визначити, який зв'язок «особливий». Електронна густина розподіляється рівномірно між усіма чотирма атомами Гідрогену. Тому не існує «четвертого, іншого» зв'язку в амонію.

У солі NH₄Cl (амоній хлорид) зв'язки всередині катіона NH₄⁺ — ковалентні (три обмінні + один донорно-акцепторний), а зв'язок між NH₄⁺ і Cl⁻ — йонний. Це типова йонна сполука, у якій катіон має складну будову.

Розгляньмо три типові завдання НМТ на тему ковалентного зв'язку. Кожне має формат вибору однієї правильної відповіді з чотирьох.

Приклад 1. Молекула лише з неполярними ковалентними зв'язками

Завдання: У якій із наведених молекул усі ковалентні зв'язки є неполярними?

• А) H₂O

• Б) N₂

• В) HF

• Г) NH₃

Розв'язання крок за кроком:

1. Згадаймо: неполярний ковалентний зв'язок виникає між атомами з однаковою електронегативністю, тобто між атомами одного хімічного елемента.

2. Перевіримо кожну молекулу:

3. H₂O — зв'язки O–H, атоми різні (O і H) → зв'язки полярні.

4. N₂ — зв'язок N≡N, обидва атоми Нітрогену однакові → зв'язок неполярний.

5. HF — зв'язок H–F, атоми різні → зв'язок полярний.

6. NH₃ — зв'язки N–H, атоми різні → зв'язки полярні.

7. Єдина молекула, у якій усі зв'язки неполярні, — N₂.

Відповідь: Б) N₂.

Чому інші варіанти неправильні:

• H₂O — містить полярні зв'язки O–H, оскільки Оксиген електронегативніший за Гідроген.

• HF — містить полярний зв'язок H–F, Флуор — найелектронегативніший елемент.

• NH₃ — містить полярні зв'язки N–H, Нітроген електронегативніший за Гідроген.

Приклад 2. Правильне позначення зміщення густини у HF

Завдання: Який запис правильно показує розподіл часткових зарядів у молекулі гідроген флуориду HF?

• А) Hδ⁻–Fδ⁺

• Б) H⁺–F⁻

• В) Hδ⁺–Fδ⁻

• Г) H–F (без позначення зарядів)

Розв'язання крок за кроком:

1. Визначимо, який атом має більшу електронегативність. Флуор — найелектронегативніший елемент у періодичній системі, тому він сильніше притягує спільну електронну пару.

2. Спільна пара зміщується до Флуору → на F виникає частковий негативний заряд δ⁻, на H — частковий позитивний δ⁺.

3. Правильний запис: Hδ⁺–Fδ⁻.

Відповідь: В) Hδ⁺–Fδ⁻.

Чому інші варіанти неправильні:

• А) Hδ⁻–Fδ⁺ — напрямок зміщення вказано неправильно: Гідроген менш електронегативний, тому не може мати δ⁻.

• Б) H⁺–F⁻ — позначено цілі йонні заряди, але HF — ковалентна сполука, а не йонна. Часткові заряди позначають символом δ.

• Г) H–F (без позначення зарядів) — ігнорує полярність зв'язку, хоча вона існує.

Приклад 3. Донор і акцептор при утворенні H₃O⁺

Завдання: Під час утворення йона гідроксонію H₃O⁺ з води H₂O та йона Гідрогену H⁺ донором електронної пари є:

• А) атом Оксигену в H₂O

• Б) йон H⁺

• В) атом Гідрогену в H₂O

• Г) атом Оксигену в H₃O⁺

Розв'язання крок за кроком:

1. Згадаймо: донор — це частинка, яка надає неподілену електронну пару; акцептор — частинка, яка має вільну орбіталь і приймає цю пару.

2. У молекулі H₂O атом Оксигену має дві неподілені електронні пари.

3. Йон H⁺ не має електронів, але має вільну 1s-орбіталь.

4. Отже, Оксиген (у H₂O) є донором, а H⁺ — акцептором.

Відповідь: А) атом Оксигену в H₂O.

Чому інші варіанти неправильні:

• Б) йон H⁺ — не може бути донором, бо не має електронів; він акцептор.

• В) атом Гідрогену в H₂O — Гідроген у воді не має неподілених пар, усі його електрони утворюють зв'язки з Оксигеном.

• Г) атом Оксигену в H₃O⁺ — H₃O⁺ є продуктом реакції; донором під час його утворення є атом Оксигену в молекулі H₂O (одна з його двох неподілених пар стає спільною).

У темі ковалентного зв'язку легко припуститися характерних помилок. Ось найпоширеніші з них.

• Плутати δ-заряд із цілим зарядом йона. Частковий заряд δ (дельта) позначає лише нерівномірний розподіл електронної густини в межах ковалентного зв'язку. Він не дорівнює цілому заряду йона. Наприклад, у HCl запис Hδ⁺–Clδ⁻ означає, що молекула залишається електронейтральною, а не розпадається на йони. Цілі заряди H⁺ і Cl⁻ з'являються лише в йонних сполуках або після дисоціації.

• Вважати CO₂ полярною молекулою лише через полярні зв'язки. Це найпоширеніша пастка. Кожен зв'язок C=O у CO₂ справді полярний, але молекула має лінійну симетричну форму O=C=O. Вектори дипольних моментів напрямлені в протилежні боки й повністю компенсуються. Тому молекула CO₂ загалом неполярна. Завжди перевіряй геометрію молекули!

• Вважати один зв'язок N–H у NH₄⁺ відмінним від інших. Після утворення йона амонію всі чотири зв'язки N–H рівноцінні. Хоча один із них виник за донорно-акцепторним механізмом, а три — за обмінним, у готовій частинці неможливо визначити, який зв'язок яким способом утворився. Електронна густина розподілена рівномірно.

• Називати H⁺ донором електронної пари. Йон H⁺ — це протон, у якого взагалі немає електронів. Він не може нічого надавати. H⁺ завжди виступає акцептором, приймаючи неподілену пару від донора (NH₃, H₂O тощо).

• Визначати полярність зв'язку лише за числом атомів у молекулі. Полярність зв'язку залежить від різниці електронегативностей, а не від кількості атомів. Наприклад, у CH₄ є чотири зв'язки C–H, і хоча їх багато, кожен із них слабкополярний, а молекула загалом неполярна через симетрію.

Тема ковалентного зв'язку входить до теми 1.5 програми НМТ з хімії «Хімічний зв'язок». До цієї ж теми належить поняття електронегативності; закономірності її зміни в періодичній системі розглядає також тема 1.4 «Періодичний закон і періодична система хімічних елементів».

Формат завдань: тему можуть перевіряти завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г; № 1–18, 0 або 1 бал) і завдання на встановлення відповідності (№ 19–20; 1 бал за кожну правильну пару, до 3 балів).

Стратегія виконання:

1. Спочатку визнач, що саме порівнюють у завданні — окремий хімічний зв'язок чи молекулу загалом. Від цього залежить відповідь.

2. Якщо йдеться про полярність зв'язку, порівняй електронегативність атомів за їхнім положенням у періодичній системі (без числових значень).

3. Якщо запитують про механізм утворення, знайди джерело електронної пари: чи кожен атом дає по електрону (обмінний), чи один надає неподілену пару, а інший — вільну орбіталь (донорно-акцепторний).

4. Для завдань про NH₄⁺ або H₃O⁺ пам'ятай: донором завжди є атом з неподіленою парою (N або O), а акцептором — H⁺.

5. Перевір, чи не маскується пастка: наприклад, CO₂ має полярні зв'язки, але неполярну молекулу.

• Неполярний ковалентний зв'язок виникає між атомами з однаковою електронегативністю (атоми одного елемента). Спільна електронна пара не зміщена до жодного з атомів. Приклади: H₂, Cl₂, O₂, N₂.

• Полярний ковалентний зв'язок виникає між атомами з різною електронегативністю. Спільна пара зміщена до електронегативнішого атома, на якому виникає частковий негативний заряд δ⁻, а на іншому — δ⁺. Приклади: HCl, H₂O, HF.

• Полярність зв'язку зростає зі збільшенням різниці електронегативностей. Для гідроген галогенідів: HF > HCl > HBr > HI.

• Полярність зв'язку і полярність молекули — різні поняття. Симетричні молекули (CO₂, CH₄) можуть бути неполярними, навіть якщо містять полярні зв'язки.

• Обмінний механізм: кожен атом надає по одному електрону для спільної пари.

• Донорно-акцепторний механізм: донор надає неподілену пару, акцептор — вільну орбіталь. Приклад: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺ (N — донор, H⁺ — акцептор).

• У готовому йоні NH₄⁺ усі чотири зв'язки N–H рівноцінні — механізм утворення не робить жоден із них особливим.

• Частковий заряд δ — не те саме, що цілий заряд йона. δ показує лише нерівномірність розподілу електронної густини в ковалентному зв'язку.