Виды химической связи

Химическая связь возникает потому, что атомам выгодно достроить внешний электронный слой до восьми электронов. Способ достройки и определяет тип связи. Если встречаются два одинаковых атома неметалла, ни один не может перетянуть электроны на себя, и общая пара располагается строго посередине — это ковалентная неполярная связь (H₂, O₂, N₂, Cl₂, F₂, S₈, алмаз). Если встречаются разные неметаллы, тот, у которого электроотрицательность выше, тянет пару к себе, и она смещается — связь становится ковалентной полярной (HCl, H₂O, NH₃, CO₂, SO₂, CH₄). Если разница слишком велика — а это случай металл плюс неметалл, — электрон вообще переходит от одного атома к другому, образуются ионы, и связь называется ионной (NaCl, K₂O, CaF₂, MgCl₂). Наконец, в куске металла внешние электроны отрываются от своих атомов и свободно перемещаются между ионами, образуя «электронный газ», — это металлическая связь (Fe, Cu, Al, Na). Именно она объясняет, почему металлы проводят ток и ковки. Ряд электроотрицательности, который стоит помнить: F → O → N → Cl → Br → S → C → H → металлы (электроотрицательность убывает слева направо).

Свободных атомов в природе почти нет. Кислород существует молекулами O₂, водород — H₂, натрий — кристаллом металла. Исключение составляют только благородные газы — гелий, неон, аргон: они встречаются одиночными атомами и почти не образуют соединений.

Это исключение и подсказывает причину. У благородных газов завершённый внешний электронный слой: два электрона у гелия, восемь у остальных. Такая оболочка исключительно устойчива, и атому незачем ничего менять.

У всех прочих элементов внешний слой не достроен, и энергетически выгодно его достроить. Сделать это можно тремя способами, и каждому отвечает свой вид химической связи.

Способ первый: поделиться электронами поровну. Два одинаковых атома неметалла образуют общую электронную пару, которая принадлежит обоим в равной мере. Каждый как бы «дополучает» недостающие электроны. Так возникает ковалентная неполярная связь: H₂, O₂, N₂, Cl₂, F₂, а также S₈ и P₄.

Способ второй: поделиться электронами неравномерно. Если атомы неметаллов разные, более электроотрицательный оттягивает общую пару к себе. Пара остаётся общей, но смещена, и на атомах возникают частичные заряды. Это ковалентная полярная связь: H₂O, HCl, NH₃, CO₂, SO₂, CH₄.

Способ третий: отдать электроны насовсем. Если один атом — активный металл, а другой — активный неметалл, разность электроотрицательностей так велика, что электроны не смещаются, а полностью переходят. Получаются ионы, и они притягиваются электростатически. Это ионная связь: NaCl, K₂O, CaCl₂, MgO, Na₂SO₄.

Четвёртый случай стоит особняком: металлическая связь. В куске металла атомы отдают внешние электроны в общее пользование, и эти электроны свободно перемещаются по всему кристаллу — их называют «электронным газом». Ионы металла держатся в узлах решётки именно за счёт притяжения к этому общему облаку. Отсюда все характерные свойства металлов: электропроводность (есть свободные носители заряда), теплопроводность, ковкость (слои могут смещаться, не разрывая связи), металлический блеск.

Практический вывод для задания 5: вид связи определяется не формулой как таковой, а тем, какие элементы соединены. Поэтому первое действие всегда одно и то же — посмотреть, металл перед вами или неметалл и одинаковые ли это атомы.

Алгоритм короткий, и он закрывает практически все вещества школьного курса.

Шаг 1. Посмотрите, из скольких элементов состоит вещество.

Если элемент один и это неметалл — связь ковалентная неполярная: O₂, N₂, H₂, Cl₂, S₈, P₄, алмаз, графит. Если элемент один и это металл — связь металлическая: Na, Fe, Cu, Al, а также все сплавы.

Шаг 2. Если элементов несколько, посмотрите, есть ли среди них металл.

Металл плюс неметалл — связь ионная: NaCl, K₂O, CaCl₂, MgO, Al₂O₃, а также все соли и все щёлочи. Только неметаллы — связь ковалентная полярная: H₂O, HCl, NH₃, CO₂, SO₃, CH₄, H₂SO₄.

Вот и весь алгоритм. Но у него есть тонкости, которые стоит проговорить, потому что именно на них и делают задания.

Тонкость первая: соли и щёлочи. В сульфате натрия Na₂SO₄ связь между натрием и сульфат-ионом ионная, а внутри сульфат-иона, между серой и кислородом, — ковалентная полярная. Когда в задании спрашивают вид связи в веществе, имеют в виду главную, ту, что между катионной и анионной частями, то есть ионную. То же с гидроксидом натрия: между Na и OH связь ионная, внутри OH — ковалентная полярная.

Тонкость вторая: соли аммония. NH₄Cl состоит только из неметаллов, но связь в нём ионная: катион аммония NH₄⁺ ведёт себя как катион металла. Это единственное заметное исключение из правила «только неметаллы — значит ковалентная».

Тонкость третья: одинаковые атомы в сложном веществе. В пероксиде водорода H₂O₂ есть связь O—O между двумя одинаковыми атомами, и она неполярная. Но вещество в целом относят к ковалентным полярным.

Тонкость четвёртая: как отличить полярную от неполярной, если оба атома неметаллы. Смотрят, одинаковые ли элементы. O₂ — одинаковые, значит неполярная. CO — разные, значит полярная. Никаких расчётов электроотрицательности не требуется.

Ряд электроотрицательности, который стоит помнить для сравнения: F, O, N, Cl, Br, S, C, H, металлы — она убывает слева направо. Фтор самый электроотрицательный, металлы — наименее. В связи общая пара всегда смещается к тому, кто в этом ряду левее.

Вид связи определяет, как частицы уложены в твёрдом веществе, а укладка — все его физические свойства. Эта цепочка «связь → решётка → свойства» и есть содержательный смысл темы, а не просто классификация.

Ионная решётка. В узлах ионы, притяжение сильное и во всех направлениях. Отсюда: твёрдые, тугоплавкие (NaCl плавится при 801 °C), хрупкие, многие растворимы в воде, а расплавы и растворы проводят ток, потому что ионы становятся подвижными. Примеры: все соли, щёлочи, оксиды активных металлов.

Молекулярная решётка. В узлах молекулы, а между ними — слабое межмолекулярное притяжение. Сами молекулы внутри держатся прочно, но друг за друга — едва. Отсюда: низкие температуры плавления и кипения, многие вещества при обычных условиях газы или жидкости, твёрдые летучи и часто пахнут, ток не проводят. Примеры: вода, углекислый газ, кислород, иод, сахар, нафталин.

Сравнение, которое хорошо это иллюстрирует: поваренная соль NaCl (ионная решётка) плавится при 801 °C, а сахар (молекулярная) — при 186 °C и при дальнейшем нагревании обугливается. Разница не в «прочности вещества вообще», а в том, что именно приходится разрывать при плавлении: в первом случае притяжение ионов, во втором — слабое притяжение между молекулами.

Атомная (ковалентная) решётка. В узлах атомы, соединённые ковалентными связями в единый каркас; вся кристаллическая крупинка — фактически одна гигантская молекула. Отсюда: очень твёрдые, очень тугоплавкие, нерастворимые, ток не проводят (кроме графита). Примеры: алмаз (плавится выше 3500 °C), графит, кремний, кварц SiO₂, карборунд.

Именно поэтому песок не плавится в костре, а алмаз режет стекло: чтобы сдвинуть хотя бы один атом, надо порвать настоящие ковалентные связи.

Металлическая решётка. В узлах ионы металла, между ними общий электронный газ. Отсюда: электро- и теплопроводность, ковкость и пластичность, блеск, температуры плавления самые разные — от −39 °C у ртути до 3400 °C у вольфрама.

Практический вывод для задания 5 и для линии 7. Если в задании спрашивают не только вид связи, но и свойства вещества, рассуждение идёт по цепочке: определили элементы — назвали связь — назвали решётку — из решётки прочитали свойства. Обратный ход тоже работает: «вещество тугоплавкое, раствор проводит ток» означает ионную решётку, а значит ионную связь, а значит металл плюс неметалл.

Все четыре вида связи — это по сути один и тот же процесс, доведённый до разной степени. Разделяет их одна величина.

Электроотрицательность — способность атома оттягивать к себе общую электронную пару в химической связи. Шкалу предложил в 1932 году американский химик Лайнус Полинг, и по ней фтору приписано максимальное значение 4,0; у кислорода 3,5, у азота и хлора 3,0, у углерода 2,5, у водорода 2,1, у натрия 0,9, у калия 0,8.

Теперь посмотрим, что даёт разность электроотрицательностей двух связанных атомов.

Разность равна нулю — атомы одинаковы, пара стоит строго посередине, ни к кому не смещаясь. Это ковалентная неполярная связь. H₂, O₂, N₂, Cl₂.

Разность небольшая — пара смещена, но остаётся общей. Это ковалентная полярная связь. В HCl разность 3,0 − 2,1 = 0,9: пара сдвинута к хлору, на нём частичный минус, на водороде частичный плюс. В воде разность 3,5 − 2,1 = 1,4, и смещение ещё сильнее — отсюда полярность молекулы воды, а из неё, как мы видели в теме про растворы, вся её способность растворять соли.

Разность большая — пара не смещается, а переходит целиком. Это ионная связь. В хлориде натрия разность 3,0 − 0,9 = 2,1: натрий отдаёт электрон и становится Na⁺, хлор принимает и становится Cl⁻.

Граница между полярной ковалентной и ионной связью условна: принято считать, что при разности примерно больше 1,7 связь считают ионной. Но заучивать эту цифру на ОГЭ не нужно — достаточно правила «металл плюс неметалл», которое даёт тот же результат.

Вывод, ради которого стоило вводить электроотрицательность: резкой границы между видами связи нет. Есть непрерывный переход от полного равноправия атомов к полному переходу электронов, и четыре названия — просто удобные отметки на этой шкале. Понимание этого снимает вопрос «а почему у MgO связь ионная, а у CO₂ ковалентная»: дело не в том, что вещества устроены принципиально по-разному, а в том, насколько далеко зашло смещение электронной пары.

И последнее замечание про ряд F, O, N, Cl, Br, S, C, H, металлы: он не выучивается отдельно, а читается прямо с Периодической системы. Электроотрицательность растёт слева направо по периоду и снизу вверх по группе, значит максимум в правом верхнем углу, у фтора, минимум — в левом нижнем, у щелочных металлов. Это та же закономерность, что и в задании 3.