Перейти до основного вмісту
Каталог

Прості й кратні зв’язки та електронні формули молекул

~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань

Будова речовини
Хімія НМТ

Розрізняєш одинарні, подвійні й потрійні ковалентні зв'язки за числом спільних електронних пар. Складаєш електронні формули молекул H₂, Cl₂, H₂O, NH₃, CH₄, O₂, N₂, CO₂ та визначаєш кратність зв'язків у C₂H₄ і C₂H₂.

Кратність і спільні електронні пари

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.

Тип зв'язку

Число спільних пар

Позначення

Приклад

Одинарний

1

–

H–H, H–Cl, Cl–Cl

Подвійний

2

=

O=O

Потрійний

3

≡

N≡N

Побудова електронної формули

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.

Молекула

Спільні пари

Неподілені пари

Пояснення

H₂O

2 (O–H)

2 (на O)

O має 6 валентних e; 2 йдуть на зв'язки з H, 4 лишаються — дві пари

NH₃

3 (N–H)

1 (на N)

N має 5 валентних e; 3 йдуть на зв'язки, 2 лишаються — одна пара

CH₄

4 (C–H)

0

C має 4 валентні e; усі йдуть на зв'язки з H

Cl₂

1 (Cl–Cl)

6 (по 3 на Cl)

Кожен Cl має 7 валентних e; 1 спільна, 6 неподілених

O₂

2 (O=O)

4 (по 2 на O)

Кожен O має 6 валентних e; 2 спільні, 4 неподілені

N₂

3 (N≡N)

2 (по 1 на N)

Кожен N має 5 валентних e; 3 спільні, 2 неподілені

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.

Молекули з кількома зв'язками

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.

Розбираємо завдання

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.

Типові помилки й пастки

  • 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.

Як це перевіряють на НМТ

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.

Питання й відповіді

Скільки електронів у подвійному зв'язку?

Подвійний зв'язок утворюють дві спільні електронні пари, тобто 4 електрони (2 пари × 2 електрони). Кожна спільна пара складається з двох електронів, які належать обом сполученим атомам.

Чим електронна формула відрізняється від структурної?

Електронна формула (формула Льюїса) показує всі валентні електрони — і спільні, і неподілені — у вигляді крапок або пар крапок. Структурна формула показує лише зв'язки (риски) між атомами, не позначаючи неподілені пари. Наприклад, для H₂O електронна формула показує дві неподілені пари на O, а структурна H–O–H — ні.

Скільки неподілених пар у воді?

У молекулі води H₂O є дві неподілені пари на атомі Оксигену. Оксиген має 6 валентних електронів. Два з них утворюють спільні пари з двома атомами Гідрогену, а чотири, що залишилися, — це дві неподілені пари.

Чому в етині п'ять спільних пар, хоча між C потрійний зв'язок?

У молекулі етину C₂H₂, крім потрійного зв'язку C≡C (3 спільні пари), є ще два зв'язки C–H (2 спільні пари). Разом 3 + 2 = 5 спільних пар. Потрійний зв'язок — лише між двома атомами Карбону, але молекула містить й інші зв'язки, які теж треба враховувати.

Коротко: головне

  • 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.