Прості й кратні зв’язки та електронні формули молекул
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
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.
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 |
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.
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:
Підрахуй загальну кількість валентних електронів усіх атомів у молекулі.
Підрахуй кількість спільних пар (S) і неподілених пар (N).
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
Визнач структурну формулу молекули (намалюй її подумки або на чернетці).
Окремо порахуй спільні пари в кожному зв'язку (одинарний = 1, подвійний = 2, потрійний = 3).
Порахуй неподілені пари на кожному атомі.
Звіри суму: 2 · (спільні пари + неподілені пари) має дорівнювати загальній кількості валентних електронів.
Якщо баланс не сходиться — перевір формулу ще раз.
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.
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.