Учебное пособие 1154

Решение типовых задач

Задача 1. В каких соединениях – Н2О, О2, СаО – связь имеет наибольшую степень ионности? В молекуле какого соединения связь ковалентная неполярная? Представьте механизм образования этой связи и укажите валентность кислорода в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение. Чем больше разница в электроотрицательностях взаимодействующих атомов, тем связь между ними будет более полярной, т.е. обладать большой долей ионности. Учитывая положение элементов в периодической системе, следует отметить, что ЭО увеличивается в ряду Са, Н, О. Отсюда следует, что наибольшая разность ЭО должна быть в соединении СаО.

Связь ковалентная неполярная существует между одинаковыми атомами, например, в молекуле О2. Покажем механизм образования этой связи исходя из метода валентных связей.

Графически представляем электронную формулу каждого атома кислорода и образование связей в молекуле О2.

Каждый атом кислорода имеет 2 неспаренных р-электрона на последнем электронном уровне, причем свободных орбиталей у него нет и даже при поглощении энергии распаривание электронов не произойдет. Таким образом, в результате перекрывания электронных облаков непарных р-электронов с антипараллельными спинами между двумя атомами кислорода возникает двойная связь: при перекрывании электронных облаков на линии связи (рх-рх) формируется σ-связь, при перекрывании электронных облаков по обе стороны от линии связи (ру-ру) – π-связь. π-связь менее прочная, чем σ-связь, т. к. у первой значительно меньше область перекрывания, чем у второй.

Обе связи в молекуле кислорода образованы по обменному механизму, т.е. каждый атом предоставлял для образования связи один непарный электрон. В этом случае кислород двухвалентен. Но у каждого атома кислорода остались две пары спаренных электронов, которые сохраняют свое состояние даже при возбуждении, и они тоже являются валентными, т.е. способными принимать участие в образовании связи по донорно-акцепторному механизму. Кислород представляет пару электронов атому, имеющему свободную электронную орбиталь на последнем уровне. Таким образом, кислород может образовать 4 связи (2 по обменному и 2 по донорно-акцепторному механизму), причем, несмотря на высокую ЭО, кислород будет донором электронов. Этот случай можно рассмотреть на примере воды, молекулы которой находятся в ассоциированном состоянии за счет межмолекулярного образования водородных связей, природа которых очень близка к донорно-акцепторному взаимодействию.

31

Решение. Донорно-акцепторные связи образуются соединениями, которые в возбужденном состоянии имеют в своем составе атомы с неподеленными электронными парами (доноры) или незанятыми орбиталями (акцепторы).

Молекула СН4 cодержит углерод, у которого нет ни свободных орбиталей, ни неподеленных электронных пар, четыре непарных электрона он использует для образования четырех ковалентных связей по обменному механизму.

Молекула MgH2 cодержит магний, который в возбужденном состоянии на последнем уровне имеет 2 непарных электрона и 7 незанятых орбиталей. За счет непарных электронов он образует две ковалентных связи по обменному механизму, а за счет свободных орбиталей может образовывать донорноакцепторные связи, выступая в роли акцептора, т.е. принимая электронные па-

разовывать три ковалентные связи по обменному механизму, а оставшуюся

Молекула BH3 содержит атом бора, который может за счет своего электронного строения в возбужденном состоянии образовывать три ковалентные связи по обменному механизму, а незанятую орбиталь предоставить для обра-

Так как валентность элемента определяется общим числом связей, то свободные орбитали или нераспаренные электроны последнего электронного уровня в возбужденном состоянии способствуют увеличению валентности.

Задача 4. Укажите ряд веществ, в котором представлены только полярные молекулы:

CO2, SO3, NH3; CCl4, NO, NO2; BF3, CO2, SO2; NH3, SO2, H2O.

Решение. Полярность молекул определяется полярностью образующих их связей и пространственным строением молекул. Электрический момент диполя молекулы равен векторной сумме электрических моментов диполей связей, имеющихся в молекуле.

Электрический момент диполя двухатомной молекулы µ равен электрическому моменту диполя связи µсв. Если связь неполярна, то и молекула неполярна.

34

В многоатомных молекулах зависимость электрического момента диполя молекулы от электрических моментов диполей связей более сложная. Например, молекула CO2, О = С = О неполярна, так как диполи полярных связей компенсируют друг друга О← С →О, а молекула H2O полярна, т.к. она имеет угловую конфигурацию

Суммарные электрические моменты диполей молекул с гибридизацией АО центрального атома таких, как CaCl2 (sp-гибридизация), BF3 (sp2-гибридизация), СН4 (sp3-гибридизация) равны нулю и эти молекулы неполярны. Но если атомы, связанные с центральным атомом неодинаковы, то молекула становится полярной (BF2Cl, СF2Cl2 и др.). Многоатомные молекулы неполярны при симметричном распределении заряда или полярны при ассиметричном распределении заряда.

В предложенном задании только полярные молекулы образуют ряд NH3, SO2, H2O, т.к. в других рядах CO2 (линейная структура) – молекула неполярна, CCl4 (тетраэдрическая структура) – неполярна, BF3 (плоский треугольник) – неполярна.

Упражнения для самостоятельной работы

1.Какие типы связи характерны для простых веществ?

2.Укажите соединение, в котором реализуется связь по донорно-акцепторному механизму: аммиак, хлорид аммония, хлороводород, азот. Ответ демонстрируйте графическими формулами молекул перечисленных веществ.

3.В каком соединении химическая связь характеризуется наибольшей степе-

нью ионности: NH3, BN, Li3N, NO2? Расположите перечисленные вещества в порядке снижения ионности.

4.Укажите углы связей в молекуле ацетилена (С2Н2). Представьте графически строение этой молекулы.

5.Назовите угол между связями в молекуле SiO2 и с помощью электронной формулы представьте геометрию молекулы. По какому механизму может образовывать связи Si и какова их насыщаемость? Какая молекула более полярна

CO2, SiO2, NO2?

6.Приведите примеры молекул, которые содержат только σ-связи; одну π- связь; одну σ-и две π-связи. Ответ иллюстрируйте графическими формулами молекул.

7.Какую пространственную конфигурацию имеют молекулы BaCl2, FeCl2, FeCl3, PbCl4, Cl2, CCl4? Ответ иллюстрируйте графическими электронными формулами молекул.

35

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ

1.История составления и развития периодической системы элементов.

2.Теории ионной (Коссель) и ковалентной связей (Льюис, Дюма).

3.Теории строения атома по Н. Бору.

4.Электронное строение атома и атомные спектры.

5.Полярность и пространственное строение молекул.

6.Водородная связь (внутри- и межмолекулярная).

7.Металлическая связь.

36

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ К КОНТРОЛЬНОМУ ТЕСТИРОВАНИЮ

Назовите и охарактеризуйте три других квантовых числа.

2. На s-орбиталях одного энергетического уровня максимально могут располагаться_______ электронов

1) 6; 2) 8; 3) 10; 4) 2.

Ответ поясните на основании возможных для данной орбитали четырех квантовых чисел и принципа Паули.

3. Максимальное число электронов на орбитали n = 2, l = 1, ml = -1 равно…

1) 2; 2) 6; 3) 4; 4) 8.

4. Частицы, обладающие одинаковым строением внешнего энергетического

Ответ подтвердите, написав электронную формулу соответствующего элемента и указав его высшую валентность по кислороду.

7. Хлорид-иону соответствует электронная конфигурация…

Ответ подтвердите, написав электронную формулу соответствующего элемента в нормальном состоянии, и формулу иона Cl‾.

8. На внешнем энергетическом уровне атома элемента, образующего высший гидроксид состава НЭО3, содержится ____ электронов

1) 7; 2) 4; 3) 6; 4) 5.

Ответ подтвердите, написав электронную формулу соответствующего элемента и указав его валентность в этом соединении.

9. Число неподеленных электронных пар на валентном энергетическом уровне

Напишите электронную формулу азота в нормальном и возбужденном состояниях. Определите валентность элемента в этих двух состояниях.

10. Число завершенных энергетических уровней и максимальная валентность по кислороду элемента с электронной конфигурацией 1s22s22p63s23p64s13d5 со-

Ответ поясните с учетом того, какие АО могут заполняться в третьем и четвертом энергетическом уровне и как определяется максимальная валентность.

37

11. Неспаренные электроны в основном состоянии содержит частица…

1) Zn 2+ ; 2) Pb 2+; 3) Ni 2+; 4) Ca 2+.

Напишите электронную формулу соответствующего элемента в нормальном и возбужденном состояниях. Определите валентность элемента в этих двух со-

Объясните, что характеризует электроотрицательность атомов.

14. Порядковый номер элемента, валентные электроны атома которого распо-

Напишите полную электронную формулу соответствующего элемента.

15. Формула водородного соединения элемента с электронной конфигурацией атома в основном состоянии 1s22s22p63s23p4 имеет вид…

1) ЭН4; 2) ЭН; 3) ЭН3; 4) ЭН2.

Укажите валентность элемента по водороду и кислороду.

16. Число валентных электронов у атома элемента с электронной конфигураци-

Ответ иллюстрируйте графическими электронными формулами. Определите число завершенных энергетических уровней.

17. Формула высшего оксида элемента, электронная конфигурация атома которого 1s22s22p63s23p64s23d7, имеет вид…

Представьте графическую электронную формулу в возбужденном состоянии и укажите чем определяется максимальная валентность элемента.

18. Число неспаренных электронов в атоме брома в невозбужденном состоянии

Изменится ли число неспаренных электронов в атоме брома в возбужденном

38

Определите тип гибридизации атомных орбиталей азота и укажите угол между связями.

22. В молекуле С2H4 углерод находится в _______ гибридизации

1) sp3; 2) sp3d; 3) sp; 4) sp2.

Ответ поясните графическим изображением данной молекулы.

23. Формула высшего оксида элемента, образующего водородное соединение

Укажите номер группы элемента и представьте электронную формулу его аналога из 4-го периода.

24. Наибольшей степенью ионности характеризуется химическая связь в соеди-

нении… 1) NH3; 2) BN; 3) Li3N; 4) NO2.

Ответ поясните исходя из положения элементов в периодической системе. 25. Молекула оксида углерода (IV) содержит _______ связи

Ответ поясните, описав механизм образования химической связи по донорноакцепторному механизму на примере образования иона NH4+.

27. Укажите соединение, в котором реализуется связь, образованная по донор-

Представьте графическую электронную формулу выбранной молекулы. 28. Наибольшей полярностью в молекуле CH3COOH обладает связь…

1) C–C; 2) Н–О; 3) C–O; 4) C–H.

Ответ поясните, мотивируя его положением связанных элементов в периодической системе.

39

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная литература

1.Коровин, Н.В. Общая химия[Текст]: учеб. для техн. направ. и спец. вузов/ Н.В.Коровин.- 10-е изд., доп. -М.: Высшая школа, 2008.-556 с.

2.Глинка, Н.Л. Общая химия [Текст] / Н.Л. Глинка.- М.: КНОРУС, 2011. -752 с.

Дополнительная литература

1.Будяк, Е.В. Общая химия [Текст]: учеб. метод. пособие./ Е.В. Будяк. 3-е изд.,перераб. и доп. – СПб.: Изд. «Лань», 2011.- 384 с.

2.Павлов, Н.Н. Общая и неорганическая химия [Текст]:/ Н.Н. Павлов. Учебник. 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: Изд-во «Лань», 2011.- 496 с.

3.Дмитриев, И.С. Электрон глазами химика [Текст] / И.С. Дмитриев.- Л.:

Химия, 1986.-225 с.

4.Минкин, В.И. и др. Теория строения молекул [Текст]: учеб. пособие для унтов и хим. техн. вузов./ В.И. Минкин. -М.: Высшая школа, 1979.- 407 с.

5. Карапетьянц, М.Х. Строение вещества [Текст]: учеб.пособие. / М.Х. Карапетьянц. - М.: Высшая школа, 1978. – 304 с.

6.Овчинников, К.В. и др. От атома к молекуле [Текст] / К.В. Овчинников.- Л.:

Химия, 1973.-108 с.

7.Развитие учения о валентности [Текст] / В.И. Кузнецов. – М.: Химия, 1977.-

246с.

9.Фигуровский, Н.А. Открытие химических элементов и происхождение их названий [Текст] / Н.А. Фигуровский. -М. «Наука», 1970.-207 с.

10.Химическая энциклопедия в 5 томах, 1992.

11.Летопись жизни и деятельности Д.И. Менделеева [Текст] / Р.Б. Добротин и др. - Л.: «Наука», 1984. -517 с.

12.Азимов, Айзек. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии [Текст]/ Айзек Азимов; перевод с англ.- М.: Мир, 1983. – 189 с.

40