Контрольные задания

1. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных d- орбиталей у атомов последнего элемента?

2. Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента, неверны: а) 1s²2s²2p⁵3s¹; б) 1s²2s²2p⁶; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴; г) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²; д) 1s²2s²2p⁶3s²3d²? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

3. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s – электрона на 4d – подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

4. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий расположены в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

5. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного 4s- электрона на 3d-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атомов первого и p-электронов у атома второго элементов?

6. Сколько вакантных 3d- орбиталей имеют возбужденные атомы: а) Cl; б) V; в) Mn?

7.Укажите особенности электронных конфигураций атомов меди и хрома. Сколько 4s- электронов содержат невозбужденные атомы этих элементов?

8.Атом какого элемента в основном состоянии имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s¹? Определите общее число энергетических уровней и подуровней, занимаемых электронами в данном атоме.

9.Запишите электронную конфигурацию атома ванадия (V) в основном состоянии и все квантовые числа его неспаренных электронов. Сколько свободных d- орбиталей содержится на предвнешнем энергетическом уровне?

10. Напишите краткую электронную конфигурацию атомов кремния (Si) и свинца (Pb). Являются ли они аналогами электронной структуры?

11. Составьте электронно-графические схемы ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. Чем можно объяснить особую устойчивость электронной конфигурации иона Fe³⁺?

12. Напишите электронные формулы ионов: а) Sn²⁺; б) Sn⁴⁺; в) Mn²⁺; г) Cu²⁺; д) Cr³⁺; е) S^2-.

13. У какого из p- элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов.

14. У какого элемента четвертого периода – хрома или селена- сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

15.Какой из элементов четвертого периода - ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов.

Химическая связь Примеры решения задач

Пример 1. Вычислить разность относительных электроотрицательностей атомов для связей Н — О и О — Э в соединениях Э(ОН)2, где Э — Мġ, Са или Śг, и определить: а) какая из связей Н — О или О — Э характеризуется в каждой молекуле большей степенью ионности; б) каков характер диссоциации этих молекул в водном растворе?

Решение. По данным табл. 1 вычисляем разность электроотрицательностей для связей О — Э: Δ хм₈ - О = 3,5 - 1,2 ═ 2,3; Δ х са-О =3,5 - 1,04 = 2,46;

Δ ХŚг —О ═ 3,5 .— 0,99 = 2,51. Разность электроотрицательностей для связи О —Н составляет 1,4 .

Таким образом: а) во всех рассмотренных молекулах связь Э – О более полярна, т.е. характеризуется большей степенью ионности: б) диссоциация на ионы в водных растворах будет осуществляться по наиболее ионной связи в соответствии со схемой: Э(ОН)2 ═ Э²⁺⁺ + 2ОН^-;следовательно, все рассматриваемые соединения будут диссоциировать по типу оснований.

Таблица 1 Относительная электроотрицательность атомов

Н 2,1
Li 0,98	Bе 1,5	В 2,0	С 2,5	N 3,07	О 3,5	Р 4,0
Nа 0,93	Мġ 1,2	А1 1,6	Si 1,9	Р 2,2	S 2,6	С 3,0
К 0,91	Са 1,04	Gа 1,8	Gе 2,0	Аs 2,1	Sе 2,5	Вг 2,8
RЬ 0,89	Sг 0,99	1n 1,5	Sn 1,7	SЬ 1,8	Те 2,1	I 2,6

Пример 2. Определите пространственную структуру молекулы Н₂S . Почему валентный угол чуть больше 90°?

Решение. Ковалентные связи в молекуле Н₂S образуются перекрыванием двух р-орбиталей атома серы с двумя s-орбиталями двух атомов водорода. Вследствие пространственной ориентации р-орбиталей атома серы, молекула Н₂S имеет угловую структуру. Из-за незначительного размера атома серы (по сравнению с аналогами - селеном и теллуром) области повышенной электронной плотности сильнее отталкиваются и угол увеличивается.

Пример 3. Объяснить механизм образования молекулы SbF₄ и иона

SbF₆^2- . Может ли существовать ион СF₆^2- ?

Решение. Электронная конфигурация атома кремния 1s²2s²2р⁶3s²3р². При возбуждении атом кремния переходит в состояние 1s²2s²2р⁶3s¹3р³. Четыре неспаренных электрона возбужденного атома могут участвовать в образовании четырех ковалентных связей по обычному механизму с атомами фтора (1s²2s²2р⁵), имеющими по одному неспаренному электрону, с образованием молекулы SbF_4.

Для образования иона SbF₆^2- к молекуле SbF₄ должны присоединиться два иона F^- (1s²2s²2p⁶) , все валентные электроны которых спарены. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счет пары электронов каждого из фторид-ионов и двух вакантных 3d-орбиталей атома кремния.

Углерод (1s²2s²2p²) может образовывать, подобно атому кремния, соединение С F_4, но при этом валентные возможности углерода будут исчерпаны ( нет неспаренных электронов, неподеленных пар электронов и вакантных орбиталей на валентном уровне ).Ион С F₆^2- образоваться не может.

Пример 4. Объяснить с позиций метода МО возможность существования мо­лекулярного иона Не₂⁺ и невозможность существования молекулы Не₂.

Решение. В молекулярном ионе Не₂⁺ имеются три электрона. Энергетиче­ская схема образования этого иона с учетом принципа Паули представлена ниже:

АО МО АО

Не Не₂⁺ Не⁺

σ^разр 1s

1s 1s

σ^св 1s

На связывающей орбитали размещены два электрона, а на разрыхляющей — один. Следовательно, кратность связи в этом ионе равна 0,5, и он должен быть энергетически устойчивым.

Напротив, молекула Не₂ должна быть энергетически неустойчива, поскольку из четырех электронов, которые должны разместиться на МО, два займут свя­зывающую МО, а два — разрыхляющую. Следовательно, образование молекулы Не₂ не будет сопровождаться выделением энергии. Кратность связи в этом случае равна нулю — молекула не образуется.

Пример 5. Одинаковая ли полярность молекул SНз и ВНз?

Решение. Для оценки полярности молекулы используют величину электрического момента диполя молекулы μ_м, равную векторной (гео­метрической) сумме электрических моментов диполей всех связей μ_св (и неподеленных электронных пар). У неполярных молекул эта сумма равна нулю ( μ_{м = 0} ), у полярных — больше нуля (μ_м>0).

Связи в молекуле SЬНз образуются перекрыванием трех р-орбиталей атома сурьмы (5s²5p³) с тремя s-орбиталями трех атомов водорода (1s¹). Поскольку 3p-облака ориентированы в трех взаимно перпенди­кулярных направлениях (по осям х, у, z ), то связи в образовавшейся молекуле SЬНз направлены от вершины тригональной пирамиды, в ко­торой находится атом сурьмы, к ее основанию, в вершинах которого находятся атомы водорода. Следовательно, молекула SЬНз имеет пи­рамидальную структуру. Сумма векторов моментов диполей всех связей в молекуле SЬНз не равна нулю, и следовательно, молекула в целом полярна.

Ковалентные полярные связи в молекуле ВНз образуются пере­крыванием трех гибридных орбиталей атома бора (2s¹2р²) с s-орбиталями трех атомов водорода. Гибридные связи направлены под углом 120°. Ядра всех взаимодействующих атомов лежат в одной плоскости

Молекула имеет структуру плоского треугольника. Векторная сумма электрических моментов диполей связей в молекуле равна нулю, следовательно, молекула ВН₃ неполярна.

Пример 6. Какая из молекул В₂ или С₂ характеризуется более высокой энергией диссоциации на атомы? Сопоставьте магнитные свойства этих молекул.

Решение. Молекула В₂ образуется в результате взаимодействия двух атомов бора .

В (…2s²2p¹) + В (…2s²2p¹) =В₂ [(σ2s)²(σ*2s)²(π2ρ_y)¹(π2ρ_z)¹].

На связывающих орбиталях размещены четыре электрона, на разрыхляющих – два, следовательно, порядок связи в молекуле В₂ равен (4-2)/2 = 1.

Молекула С₂ образуется в результате взаимодействия двух атомов углерода

С(…2s²2 ρ²) + С(…2s²2 ρ²) = С₂ [(σ2s)²(σ*2s)²(π2ρ_y)²(π2ρ_z)²].

На связывающих орбиталях размещены шесть электронов, на разрыхляющих – два, следовательно, порядок связи в молекуле С₂ равен (6 – 2)/2 = 2 Таким образом, молекула С₂, характеризующаяся более высоким порядком связи между атомами, должна быть более прочной.

Этот вывод соответствует экспериментально установленным значениям энергии диссоциации на атомы молекул В₂ (276 кДж/моль) и С₂ (605 кДж/моль).

В молекуле В₂ два электрона расположены, согласно правилу Гунда, на двух π2ρ-орбиталях. Наличие двух неспаренных электронов сообщает этой молекуле парамагнитные свойства. В молекуле С₂ все электроны спарены, следовательно, эта молекула диамагнитна.