Прості й кратні зв’язки та електронні формули молекул

Ковалентний зв'язок утворюється завдяки спільній електронній парі, яка належить обом сполученим атомам. Залежно від того, скільки таких пар виникає між двома атомами, розрізняють одинарний, подвійний і потрійний зв'язки. Ця характеристика називається кратністю зв'язку.

Одинарний, подвійний і потрійний зв'язки

Одинарний зв'язок — це зв'язок, у якому між двома атомами є лише одна спільна електронна пара. У структурній формулі його позначають однією рискою: H–H (молекула водню), H–Cl (хлороводень), Cl–Cl (хлор). Подвійний зв'язок утворюють дві спільні пари — у структурній формулі це дві риски: O=O (кисень). Потрійний зв'язок — три спільні пари, три риски: N≡N (азот).

Важливо розуміти: між двома атомами існує лише один зв'язок певної кратності. Тому коли ми кажемо «подвійний зв'язок», це означає, що між тими самими двома атомами є дві спільні пари, а не два окремі зв'язки. Не плутай «число спільних пар» із «числом сполучених пар атомів».

Як кратність впливає на довжину й міцність зв'язку

Для однієї й тієї самої пари елементів кратний зв'язок зазвичай коротший і міцніший за одинарний. Наприклад, потрійний зв'язок N≡N міцніший за подвійний N=N, а той — за одинарний N–N. Однак міцність не зростає рівно вдвічі чи втричі: енергія потрійного зв'язку N≡N (≈ 945 кДж/моль) навіть більша за потроєну енергію одинарного N–N (≈ 3 · 160 = 480 кДж/моль), а для Карбону навпаки: енергія C≡C (≈ 839 кДж/моль) менша за потроєну енергію C–C (≈ 3 · 348 = 1044 кДж/моль). Докладніше про σ- і π-зв'язки програма НМТ не вимагає, тому на цьому рівні достатньо знати загальну закономірність.

Електронна формула молекули (формула Льюїса) показує, як валентні електрони атомів розподілені між спільними й неподіленими парами. Валентні електрони позначають крапками, а спільні й неподілені пари — двома крапками або рискою.

Правило дублету й октету

Під час побудови електронної формули керуються двома орієнтирами:

• Атом Гідрогену (H) прагне мати два електрони навколо себе — дублет, як у благородного газу Гелію.

• Атоми другого періоду (C, N, O, F) прагнуть мати вісім електронів — октет, як у Неону.

Це означає, що кожен атом у молекулі має бути оточений або спільними, або неподіленими парами так, щоб загальна кількість електронів навколо нього дорівнювала 2 (для H) або 8 (для C, N, O, F, Cl).

Електронні формули простих молекул

Розгляньмо кілька прикладів.

Зверни увагу: шкільна формула Льюїса для O₂ з двома спільними парами не пояснює всіх фізичних властивостей кисню (наприклад, його парамагнетизму), але для завдань НМТ цього зображення достатньо.

У молекулах, що містять кілька зв'язків (наприклад, CO₂, C₂H₄, C₂H₂), потрібно враховувати всі спільні пари — як між різними атомами, так і кратні зв'язки. Головний принцип: загальна кількість валентних електронів у молекулі має дорівнювати подвоєній сумі всіх спільних і неподілених пар.

Вуглекислий газ (CO₂)

Молекула CO₂ має лінійну будову O=C=O. Між Карбоном і кожним Оксигеном — подвійний зв'язок. Отже, загалом у CO₂:

• 4 спільні пари (два подвійні зв'язки, кожен дає 2 пари)

• 4 неподілені пари (по 2 на кожному атомі Оксигену)

• Разом: 8 пар × 2 = 16 валентних електронів

Перевірка: C має 4 валентні e, кожен O має 6 валентних e: 4 + 6 + 6 = 16. Усе збігається. Ніколи не став прості зв'язки C–O в нейтральній молекулі CO₂ без перевірки електронного балансу — тоді в Карбону було б лише 4 електрони замість 8, а октет не виконувався б.

Етен (етилен, C₂H₄)

Структурна формула етену: H₂C=CH₂. Між атомами Карбону — подвійний зв'язок (2 спільні пари), а кожен C сполучений із двома H одинарними зв'язками (ще 4 спільні пари). Разом у C₂H₄:

• 6 спільних пар (2 між C + 4 між C–H)

• Неподілених пар немає — усі валентні електрони задіяні в зв'язках

• Разом: 6 пар × 2 = 12 валентних електронів

Перевірка: 2 C × 4 e + 4 H × 1 e = 8 + 4 = 12. Кожен атом C має октет (4 зв'язки), кожен H — дублет.

Етин (ацетилен, C₂H₂)

Структурна формула етину: HC≡CH. Між атомами Карбону — потрійний зв'язок (3 спільні пари), а кожен C сполучений з одним H одинарним зв'язком (ще 2 спільні пари). Разом у C₂H₂:

• 5 спільних пар (3 між C + 2 між C–H)

• Неподілених пар немає

• Разом: 5 пар × 2 = 10 валентних електронів

Перевірка: 2 C × 4 e + 2 H × 1 e = 8 + 2 = 10. Кожен C має октет (4 зв'язки), кожен H — дублет.

Як перевіряти електронний баланс

Універсальний спосіб перевірити правильність електронної формули:

1. Підрахуй загальну кількість валентних електронів усіх атомів у молекулі.

2. Підрахуй кількість спільних пар (S) і неподілених пар (N).

3. Перевір рівність: 2 · (S + N) = загальне число валентних електронів.

Наприклад, для H₂O: валентних e = 1 + 1 + 6 = 8. S = 2, N = 2. 2 · (2 + 2) = 8. Для NH₃: валентних e = 5 + 1 + 1 + 1 = 8. S = 3, N = 1. 2 · (3 + 1) = 8. Для CO₂: валентних e = 4 + 6 + 6 = 16. S = 4, N = 4. 2 · (4 + 4) = 16.

Розгляньмо три типові завдання НМТ на тему простих і кратних зв'язків.

Приклад 1. Молекула з потрійним зв'язком

Завдання: У якій із наведених молекул є потрійний зв'язок?

• C₂H₄

• C₂H₂

• H₂O

• O₂

Розв'язання: Згадай структурні формули. C₂H₄ (етен) має подвійний зв'язок C=C. H₂O має лише одинарні зв'язки O–H. O₂ має подвійний зв'язок O=O. C₂H₂ (етин, ацетилен) має потрійний зв'язок C≡C.

Відповідь: C₂H₂.

Чому інші варіанти неправильні:

• C₂H₄ — подвійний зв'язок, а не потрійний. Типова помилка: плутати етен і етин.

• H₂O — лише одинарні зв'язки, потрійних немає.

• O₂ — подвійний зв'язок, хоча деякі учні помилково вважають його потрійним.

Приклад 2. Число неподілених пар у NH₃

Завдання: Скільки неподілених електронних пар містить молекула амоніаку NH₃?

• 0

• 1

• 3

• 4

Розв'язання: Атом Нітрогену має 5 валентних електронів. У NH₃ три з них утворюють спільні пари з трьома атомами H. Залишається 2 електрони — одна неподілена пара на атомі N.

Відповідь: 1.

Чому інші варіанти неправильні:

• 0 — так було б, якби N мав 3 валентні e, але він має 5.

• 3 — плутанина: три спільні пари, а не неподілені.

• 4 — це загальна кількість електронних пар навколо N у NH₃ (3 спільні + 1 неподілена), а не число неподілених пар.

Приклад 3. Загальне число спільних пар у C₂H₄

Завдання: Скільки спільних електронних пар містить молекула етену C₂H₄?

• 2

• 5

• 6

• 8

Розв'язання: Структурна формула C₂H₄ — H₂C=CH₂. Між двома атомами C — подвійний зв'язок (2 спільні пари). Кожен C сполучений із двома H одинарними зв'язками (ще 4 спільні пари). Разом: 2 + 4 = 6 спільних пар.

Відповідь: 6.

Чому інші варіанти неправильні:

• 2 — враховано лише зв'язок C=C, забуто про чотири зв'язки C–H.

• 5 — помилка: подвійний зв'язок пораховано як одну спільну пару (тоді 1 + 4 = 5).

• 8 — забагато: у C₂H₄ лише 12 валентних електронів, тобто 6 пар; для 8 спільних пар знадобилося б 16 електронів.

• Зображати O₂ одинарним зв'язком. Помилка: учні іноді малюють O–O, але тоді кожен O має 7 електронів замість 8, і октет не виконується. Правильно: O=O — подвійний зв'язок, по дві неподілені пари на кожному O.

• Рахувати подвійний зв'язок як одну спільну пару. Помилка: дехто думає, що подвійний зв'язок — це «один зв'язок», і рахує його як 1 спільну пару. Правильно: подвійний зв'язок — це дві спільні пари, потрійний — три.

• Плутати неподілені пари зі спільними. Помилка: у NH₃ іноді кажуть «три неподілені пари», плутаючи їх із трьома спільними парами N–H. Правильно: спільні пари — між атомами, неподілені — на одному атомі.

• Забувати C–H у підрахунку пар в етені. Помилка: рахують лише подвійний зв'язок C=C (2 пари) і забувають про чотири зв'язки C–H. Правильно: C₂H₄ має 2 + 4 = 6 спільних пар.

• Заповнювати H до октету замість дублету. Помилка: іноді малюють навколо H 8 електронів. Правильно: Гідроген має лише 1 електрон і потребує всього 2 (дублет), а не 8.

Тема «Прості й кратні зв'язки та електронні формули молекул» належить до теми 1.5 програми НМТ з хімії («Хімічний зв'язок»). Вона охоплює розрізнення одинарних, подвійних і потрійних зв'язків, а також складання електронних формул молекул.

Програма НМТ не вимагає окремої теми σ- й π-зв'язків — ці моделі виходять за межі того, що перевіряють. Достатньо оперувати поняттям кратності зв'язку та спільних електронних пар.

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. Визнач структурну формулу молекули (намалюй її подумки або на чернетці).

2. Окремо порахуй спільні пари в кожному зв'язку (одинарний = 1, подвійний = 2, потрійний = 3).

3. Порахуй неподілені пари на кожному атомі.

4. Звіри суму: 2 · (спільні пари + неподілені пари) має дорівнювати загальній кількості валентних електронів.

5. Якщо баланс не сходиться — перевір формулу ще раз.

• Одинарний зв'язок — одна спільна пара, подвійний — дві, потрійний — три.

• У структурних формулах: одна риска (–), дві риски (=), три риски (≡).

• H₂O має 2 спільні пари O–H і 2 неподілені пари на O.

• NH₃ має 3 спільні пари N–H і 1 неподілену пару на N.

• CH₄ має 4 спільні пари C–H і жодної неподіленої пари.

• CO₂ містить два подвійні зв'язки O=C=O — разом 4 спільні й 4 неподілені пари.

• C₂H₄ (етен) має 6 спільних пар (2 між C + 4 C–H).

• C₂H₂ (етин) має 5 спільних пар (3 між C + 2 C–H).

• Рахуй усі зв'язки молекули й перевіряй число валентних електронів: 2 · (спільні + неподілені пари) = загальна кількість валентних e.