§ 19. Полярний і неполярний ковалентний зв'язок

Пригадайте: як змінюються металічні та неметалічні властивості елементів, а також радіус атомів у періодах і групах (за § 15).

Електронегативність хімічних елементів

Здатність атома притягувати спільні електронні пари називають електронегативністю. Сильніше за всіх притягують електрони атоми найактивніших неметалічних елементів — Флуору, Оксигену, Хлору, адже їм для завершення зовнішнього рівня бракує одного або двох електронів. І електрони, які вони прийматимуть, розташуються досить близько до ядра — на другому або третьому електронному рівні. Тому електронегативність цих елементів найбільша. Легше за всіх віддають електрони атоми активних металічних елементів, у першу чергу лужних — Літію, Натрію, Калію тощо. Вони виявляють найменшу електронегативність.

Оскільки електронегативність — це властивість, яка пов’язана з прийманням та втратою електронів, то і змінюватися вона буде так само, як і неметалічні властивості: у періодах електронегативність посилюється зліва направо, а в групах — знизу вгору. Отже, елемент з найбільшою електронегативністю — Флуор, а з найменшою — Францій (мал. 19.1).

Мал. 19.1. Зміна значення електронегативності хімічних елементів відповідно до їхнього місця в Періодичній системі (довгий варіант)

Спосіб кількісного визначення електронегативності вперше розробив американський хімік Лайнус Полінг. За шкалою Полінга електронегативність Флуору прийнята за 3,98 (округлено 4), другим за електронегативністю є Оксиген (3,44), третім — Хлор (3,16). Гідроген і типові неметалічні елементи розташовані в середині шкали; значення їхніх електронегативностей близькі до 2. Активні металічні елементи мають значення електронегативності менші за 1,6. (Значення електронегативностей для хімічних елементів наведені в Періодичній системі на форзаці 1.)

Лайнус Карл Полінг (1901-1994)

Американський хімік і фізик, двічі лауреат Нобелівської премії: з хімії в 1954 р. (за вивчення природи хімічного зв'язку) та премія миру в 1962 р. (за боротьбу проти поширення ядерної зброї). З дитинства цікавився наукою, збирав мінерали, виконував досліди з хімії на кухні. У період навчання підробляв миттям посуду та сортуванням паперів. З 1922 р. працював у Каліфорнійському технологічному інституті, де згодом став деканом хімічного факультету. З кінця 60-х років проводив фундаментальні дослідження з впливу вітамінів на організм людини й можливості лікування ними ракових захворювань. Ім'я Полінга є серед 20 найвидатніших учених усіх часів.

Полярність ковалентного зв'язку

Ковалентний зв’язок може утворитися між однаковими або різними атомами. Атоми різних хімічних елементів мають різну електронегативність, отже, по-різному притягують спільну електронну пару. Завдяки цьому для ковалентного зв’язку характерна властивість, що називають полярністю ковалентного зв’язку.

Давайте розглянемо, чим відрізняється хімічний зв’язок у молекулах водню Н₂, фтору F₂та гідроген флуориду HF:

В усіх цих молекулах між атомами утворюється одинарний ковалентний зв’язок завдяки утворенню однієї спільної електронної пари. Ця електронна пара належить обом атомам, між якими існує хімічний зв’язок. Але чи однаковою мірою вона належить обом атомам?

У молекулах фтору й водню спільна електронна пара однаково притягується до обох атомів і належить їм обом однаковою мірою. Такий ковалентний зв’язок називають неполярним. В усіх простих речовинах, утворених неметалічними елементами (наприклад, Н₂, N₂, O₂, S₂), хімічні зв’язки неполярні.

У молекулі гідроген флуориду атоми Гідрогену і Флуору притягують електрони по-різному. У Флуору електронегативність більша, ніж у Гідрогену, отже, атоми Флуору сильніше притягують спільну електронну пару, ніж атоми Гідрогену. Це призводить до зміщення спільної електронної пари в бік атома Флуору і збільшення на ньому електронної густини (мал. 19.2). Як наслідок, на атомі Флуору з’являється певний надлишковий негативний заряд. На атомі Гідрогену, навпаки, електронна густина зменшується, отже, на ньому з’являється певний позитивний заряд. Схематично це зображають так:

Мал. 19.2. У молекулі водню електронна густина на обох атомах однакова (а), а в молекулі гідроген флуориду на атомі Флуору електронна густина більша, завдяки чому на атомі Флуору з'являється надлишковий негативний заряд (б)

Ковалентний зв’язок, утворений між атомами різних елементів, називається полярним (оскільки в молекулі з’являються полюси електричного заряду). У ковалентному полярному зв’язку спільна електронна пара зміщена до того атома, який сильніше притягує електрони, тобто до атомів елемента з більшою електронегативністю.

Ковалентний неполярний зв’язок:

• спільні електрони належать обом атомам однаковою мірою

• існує між атомами неметалічних елементів з незначною різницею електронегативностей

Ковалентний полярний зв’язок:

• спільна електронна пара зміщена в бік більш електронегативного елемента

• існує між атомами неметалічних елементів з різною електронегативністю

Чим сильніше це зміщення спільної електронної пари, тим більшою є полярність зв’язку. Так, у ряду галогеноводнів різниця електронегативностей між Гідрогеном та Флуором значно більша, ніж між Гідрогеном та Йодом. Отже, у гідроген флуориді полярність зв’язку більша, ніж у гідроген йодиді:

Оскільки електрон, що належав атому Гідрогену, лише частково зміщується в бік атома Флуору, то надлишковий негативний заряд, що з'являється на атомі Флуору, менший за елементарний заряд, тобто менше заряду електрона (-1). У цьому випадку він становить лише 44 % від заряду електрона. Щоб не писати точне значення заряду (а в багатьох випадках визначити його досить складно), використовують букву δ (дельта). Безсумнівно, що заряд на атомі Гідрогену точно дорівнює заряду на атомі Флуору, але протилежний за знаком, і сума зарядів дорівнює нулю. Тобто молекула залишається електронейтральною. Чим більша різниця електронегативностей двох атомів, тим більший заряд на атомах.

Залежність полярності зв'язку від електронегативності елементів

Нітроген — досить активний хімічний елемент, але азот N₂ — одна з найінертніших речовин, яка за інертністю подібна до інертних газів. Азот навіть іноді використовують для створення інертної атмосфери під час проведення хімічних реакцій замість дорожчих аргону або гелію. Це пояснюється надзвичайно міцним зв'язком між атомами Нітрогену в молекулі N₂, що зумовлює його низьку реакційну здатність.

Висновки

1. Полярність ковалентного зв'язку зумовлена різною здатністю атомів притягувати спільні електрони (електронегативністю). Ковалентний зв'язок між однаковими атомами є неполярним, а між різними атомами — полярним.

2. У молекулі на атомі більш електронегативного елемента з'являється надлишковий негативний заряд, а на менш електронегативному атомі — позитивний. Чим більшою є різниця електронегативностей, тим більш полярним є зв'язок.

Контрольні запитання

1. Який ковалентний зв'язок називають неполярним? полярним? Наведіть приклади речовин із цими типами зв'язку.

2. Від чого залежить полярність ковалентного зв'язку?

3. Як визначити, на якому з атомів, сполучених ковалентним зв'язком, з'являється негативний заряд, а на якому — позитивний?

4. Яку властивість хімічних елементів називають електронегативністю? Як вона змінюється в періодах і групах? Назвіть найбільш і найменш електронегативні елементи. Відповідь обґрунтуйте.

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Випишіть в окремі стовпчики формули речовин з полярним та неполярним зв'язком: S₈, NH₃, O₂, F₂O, F₂, ClF₃, P₄, NO₂, NO, N₂.

2. Запишіть формули речовин за порядком збільшення полярності зв'язку в їхніх молекулах: Н₂O, СН₄, HF, NH₃.

3. Користуючись форзацом 1, обчисліть різницю між електронегативностями елементів у парах: Li—Сl, Ве—Сl, В—Сl, С—Сl, N—Cl, О—Cl, F—Cl. Укажіть пару елементів з найбільш полярним і найменш полярним зв'язками.

4. Визначивши різницю електронегативностей (див. форзац 1), укажіть формулу найполярнішої молекули: Н₂, НСl, HF, ClF, Cl₂, F₂.

5. Серед наведених речовин виберіть сполуки з найбільшою та найменшою полярністю зв'язку: йодоводень НI, хлороводень НСl, бромоводень НВr, вода Н₂O, сірководень H₂S, хлор Сl₂, метан СН₄, фосфін РН₃.

6. Визначте знак часткового заряду на атомі Хлору в молекулах НСl і ClF. Як ви вважаєте, у якій із цих молекул частковий заряд Хлору більший за абсолютною величиною?

7. Як змінюється в ряду Н₂O, H₂S, H₂Se, Н₂Те полярність зв'язку? Чому?