Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неорганическая химия сборник упражнений. Для студентов-иностранцев. Учебное пособие
.pdf
71
Таким образом, на изменении угла от тетраэдрического
(109,3о) сказывается отталкивающее действие неподеленных
(несвязывающих) электронных пар, занимающих sp3-гибридные
орбитали: у атома азота их одна (угол 107,3о), у атома кислорода
две (угол 104,5о).
Молекула аммиака имеет форму пирамиды, в вершине которой находится атом азота, а молекула воды имеет угловую
форму (рис. 18).
1 О 2
Н
Рис. 18. Пирамидальная молекула аммиака (1) и
угловая молекула воды (2)
Зная положение элементов в главных подгруппах периодической системе можно определить тип гибридизации, валентный
угол и спрогнозировать структуры молекул веществ, состоящих из
этих элементов (табл. 7).
Таблица 7
Структуры молекул некоторых веществ
Вещество
(элементы)
IIA + VIIA sp- 180 линейная
IIIA + VIIA sp2- 120 треугольник
IVA + VIIA sp3- 109 тетраэдр
VA + VIIA sp3- 107 пирамида
VIA + VIIA sp3- 104 угловая
Тип
гибридизации
Валентный
угол,
o
Представление о гибридизации валентных орбиталей ши-
роко используется в органической химии.
Структура
молекул
72
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: гибридизация –; гибридная орби-
таль –; валентный электрон –; возбужденное состояние –;
валентный угол –.
2. Определите геометрическую структуру молекул: BaI2,
CCl4, PH3. Укажите тип гибридизации.
3. Какие из перечисленных соединений имеют тетраэдриче-
скую форму: SF4, NH
4. Геометрия каких из соединений является плоской тре-
угольной: ClO
-
, SO3, NH3?
3
+
4
, SO
-2
, SiH4?
4
5. Укажите молекулы, имеющие линейную форму: NH3,
BaCl2, H2O2, C2H2.
3.4. Полярность молекул. Электроотрицательность
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
центр тяжести centre of
gravity
эффективный eff ectiv e eff ectif ﺮﺛﺆﻣ ، لﺎﻌﻓ
диполь dipole dipôle(m) ﺐﻄﻘﻟا ﻲﺋﺎﻨﺛ
момент moment moment(m) ﺔﻈﺤﻟ
электро-
отрицательность
притягивать to attract attirer ﺐﺤﺳ ، بﺬﺟ
способность capacity,
electro-negativity electro-négativité(f) ﺔﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا ﺔﯿﺒﻟﺎﺴﻟا
ability
сentre( m) de gravité ﺰﻛﺮﻣ ،ﻞﻘﺜﻟا ﺰﻛﺮﻣ
ﺪﮭﺠﻟا
capacité,
aptitude
ﺔﯾﺎﻔﻛ ، ةرﺪﻗ
Полярность молекул зависит от полярности отдельных свя-
зей и от их расположения в молекуле (т. е. от строения молекул).
Молекулы простых веществ (H2, N2, F2 и др.), образованные
неполярными ковалентными связями, неполярные.
Молекулы сложных веществ могут быть и неполярными, и
полярными. В неполярных молекулах «центр тяжести» электронного облака совпадает с «центром тяжести» положительного
заряда ядер (CO2, CH4, C6H6). В полярных молекулах «центры
тяжести» электронного облака и положительного заряда не
73
совпадают в одной точке, а находятся на некотором расстоянии
(H2O, SO2, NH3). Например, в молекуле хлороводорода HCl
электронная плотность около ядра хлора выше, чем около ядра
водорода, т. е. атом хлора имеет отрицательный заряд qCl= - 0,18
заряда электрона, а атом водорода имеет положительный заряд
qH= + 0,18 заряда электрона:
Полярные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, в которых заряды, разные по знаку, но одинаковые
по величине, располагаются на определенном расстоянии друг от
друга (рис. 19).
Мерой полярности молекул является электрический момент
диполя (μ), который определяется произведением:
μ = q · l,
где q – элементарный электрический заряд; l – длина диполя.
Рис. 19. Полярная молекула с постоянным
электрическим моментом диполя
Электрический момент диполя выражают в кулон-метрах
(Кл∙м). Электрический момент диполя – векторная величина
(рис. 20). Направление его условно принимают от положительного к отрицательному заряду – в сторону смещения связующего
электронного облака.
74
Рис. 20. Геометрическое сложение электрических моментов
диполей связей в молекулах: а – CO2; б – H2O
Электрический момент диполя определяется числом полярных связей и их направленностью. Он равен векторной сумме
моментов диполей отдельных связей. Например, электрический
момент диполя связи C = O равен 9∙10
-30
Кл∙м, а молекулы CO
равен нулю. Это объясняется тем, что в линейной молекуле CO
векторы связей радиально направлены от центра, а потому результирующий момент μ равен нулю (см. рис. 20, а). В угловой моле-
куле H2O связи расположены под углом 104,5о, и векторная сумма
электрического момента диполя двух связей выражается диагона-
лью параллелограмма (сложение векторов производится по
правилу параллелограмма сил, см. рис. 20, б). Для воды электрический момент диполя μ = 6,1∙10
-30
Кл∙м.
Всегда важно учитывать полярность молекулы и ее электрический момент диполя, связанный с реакционной способностью веществ. Как правило, чем больше электрический момент
диполя молекулы, тем выше реакционная способность вещества.
Для определения направления смещения общего электронного облака в сторону того или иного ядра атома в молекуле
вещества применяется специальная величина, называемая электроотрицательностью.
Способность атомов химического элемента притягивать к
себе общие электронные пары называется электроотрицательностью. Электроотрицательность элемента определяется суммой его
энергии ионизации и сродства к электрону. Обычно электроотрицательность лития принимают за единицу и сравнивают с ней
электроотрицательности других элементов и получают относительные электроотрицательности элементов (табл. 8).
2
2
75
Таблица 8
Относительные электроотрицательности
элементов главных подгрупп
ГруппаПериод
I II III IV V VI VII
1
2
3
4
5
6
7
H
2,1
Li
0,98Be1,47
Na
1,01Mg1,23
K
0,91Ca1,04
Rb
0,89Sr0,99
Cs
0,86Ba0,97
Fr
0,86Ra0,97
B
2,01C2,50
Al
1,47Si1,74
Ga
1,82Ge2,02
In
1,49Sn1,72
Tl
1,44Pb1,55
N
3,07
P
2,10
As
2,20
Sb
1,82
Bi
1,67
O
3,50F4,10
S
2,60Cl2,83
Se
2,48Br2,74
Te
2,01I2,21
Po
1,76At1,90
Вектор момента диполя направлен в сторону элемента,
имеющего большую электроотрицательность, например, для связи
С – Н вектор направлен от водорода к углероду С Н, т. к.
х(Cl) = 2,5 > x(H) = 2,1, а для связи С – О вектор направлен от
углерода к кислороду С О, т. к. х(C) = 2,5 < x(О) = 3,5.
Электроотрицательность элементов подчиняется периодическому закону. В периодах электроотрицательность элементов
возрастает с увеличением порядкового номера элемента. В главных подгруппах электроотрицательность элементов уменьшается
с увеличением порядкового номера.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: полярность молекул –; диполь –;
эффективный заряд –; электроотрицательность –; энергия
ионизации –; сродство к электрону –.
2. У каких соединений: Na – F; Na – Cl; Na – Br; Na – I связь
наиболее полярная? К какому из атомов смещается общая пара
электронов?
76
3. Длина диполя молекулы HCl равна 2,2∙10-9 см. Вычислите электрический момент диполя молекулы.
4. Электрические моменты диполей молекул H2O и H2S соот-
ветственно равны 6,13∙10
-30
Кл∙м и 3,13∙10
-30
Кл∙м. Вычислите
длины диполей. В какой молекуле связь более полярная?
3.5. Ионная связь
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
отдача loss donation داﺪﺗرأ ،ﺪﯾﺪﺴﺗ
присоединение attachment attachement ﻞﯿﺻﻮﺗ، ﻢﺿ،ﻂﺑر
окисление oxidation oxydation(f) ةﺪﺴﻛأ
восстановление reduction réduction ةدﺎﻋأ،ﺮﯿﻤﻌﺗ ،ﺪﯾﺪﺠﺗ
Возникновение ионной связи рассмотрим на примере образования хлорида натрия NaCl. Атомы натрия и хлора резко отличаются по относительной электроотрицательности. Как видно из
электронных формул11Na 1s22s22p63s1 и
Cl 1s22s22p63s23p5, это
17
атомы с незавершенными внешними электронными уровнями,
имеющие по одному неспаренному электрону ( у атома натрия это
3s-электрон, а у атома хлора это 3p-электрон). При химических
реакциях атом натрия отдает один электрон, а атом хлора принимает его, то есть общая электронная пара полностью смещается к
атому хлора, обладающей большей электроотрицательностью:
Схематически это записывается так:
Na - e- → Na
Cl + e- → Cl-.
+
77
Заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов, называются
ионами. Процесс отдачи электронов называется окислением.
Процесс присоединения электронов называется восстановлением.
Электронная оболочка атома Na превращается в устойчивую оболочку атома инертного газа гелия10Ne 1s22s22p6 (это
натрий-ион), а оболочка атома C l – в оболочку инертного элемента аргона
Ar 1s22s22p63s23p6 (это хлорид-ион). Между ионами
18
натрия Na + и хлора Cl – возникают силы электростатического
притяжения, в результате чего образуется соединение NaCl.
Химическая связь между ионами, осуществляемая электростатическим притяжением, называется ионной связью. Соединения, которые образуются путем притяжения ионов, называются
ионными.
Ионные соединения образуют атомы элементов, резко отличающиеся по электроотрицательности. Ионную связь можно
рассматривать как крайний случай ковалентной полярной связи.
Очевидно, полярную ковалентную связь можно определить, как
разновидность, которая претерпела лишь незначительную одностороннюю поляризацию (связующее электронное облако сместилось к атому с большей относительной электроотрицательностью). Она является промежуточной между ионной и неполярной
ковалентной связью.
Таким образом, в механизме возникновения неполярной ковалентной, полярной ковалентной и ионной связей нет принципиального различия. Они различаются лишь степенью поляризации
общих электронных пар. Природа химической связи едина.
Предсказать полярность связи можно на основании значений относительной электроотрицательности атомов элементов.
Чем больше разность относительных электроотрицательностей
связанных атомов (Δх), тем сильнее выражена полярность. Итак,
химическая связь между атомами ионная при Δх ≥ ≈ 2; при
Δх = 0 – это связь неполярная ковалентная; в промежуточных
случаях – полярная ковалентная.
Ковалентная неполярная связь (∆х = 0):
.
78
Ковалентная полярная связь (∆х ≠ 0):
∆х = х(Cl) – х(H) = 2,83 – 2,1 = 0,73.
Ионная связь (Δx ≥ ≈ 2):
∆x= x(Cl) – x(Na) = 2,83 – 1,01 = 1,73.
В действительности связи не бывают ионными на 100 %.
Поэтому говорят о степени ионности связи, которая определяется
опытным путем. Оказывается, даже в таком соединении, как CsF,
ионная связь выражена только на 89 %.
Ионная связь в отличие от ковалентной связи характеризуется ненаправленностью в пространстве, которая определяется
тем, что каждый ион, представляющий собой как бы заряженный
шар, может притягивать ион противоположного знака по любому
направлению. Например, в кристалле NaCl каждый ион Na
+
взаимодействует с шестью ионами Cl -.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: ион –; окисление –; восстановле-
ние –; ионная связь –; ионные соединения –; степень ионности
связи –.
2. Напишите электронные схемы молекул F2, Br2, NH3.
3. Определите характер связи в молекулах: CS2, HF, CO2.
Укажите направление смещения общей электронной пары.
4. Напишите электронные схемы образования следующих
соединений: Na2S, MgCl2, CuO, Al2O3.
5. Определите тип химической связи в молекулах: N2, N2O5,
Ca3N2, O2, SO2, Na2S.
6. Установите соответствие между видом связи в веществе
(ионная, металлическая, ковалентная неполярная, ковалентная
полярная) и формулой химического вещества (H2, Ba, HF, BaF2).
79
3.6. Валентность и степень окисления
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
валентность valence valence(f) ﺆﻓﺎﻜﺗ
степень окисления degree of
oxidati on
возникать to arise surg ir , prendre
отрицательный negative négatif ﻲﺒﻠﺳ
положительный positive positif ﻲﺑﺎﺠﯾا
условный conditional conditionnel ﻲطﺮﺷ
полностью completely entièrement ﺎﯿﻠﻛ ،ﻞﻣﺎﻜﻟﺎﺑ
высший the highest supérieur ﺮﺒﻛﻻا ، ﻰﻠﻋﻻا
низший the lowest inférieur ﻞﻗﻻا ، ﻰﻧدﻻا
промежуточный intermediate intermédiaire ﻞﺻﺎﻓ ، ﻂﺳﻮﺘﻣ
degré(m)
d'ox ydation
naissance
ﺪﺴﻛﺎﺘﻟا ﺔﺟرد
زﺮﺑ ،ﺮﮭظ
Валентность элемента определяется числом общих электронных пар, которые связывают атом данного элемента с другими атомами. Валентность не может быть отрицательной и не
может равняться нулю. Понятие «валентность» применяется
только к соединениям с ковалентной связью. В настоящее время
для характеристики состояния атома в соединении используют
формальное понятие «степень окисления».
Степень окисления – это условный заряд атома в молеку-
ле, который бы возник бы на атоме, если общие электронные пары
полностью сместились к более электроотрицательному атому (т. е.
атомы превратились бы в ионы).
Для определения степени окисления каждого элемента в соединении нужно помнить следующее.
1. Степень окисления водорода во всех соединениях, за исключением гидридов металлов (NaH, KH, CaH2, и др.), равна +1. В
гидридах металлов его степень окисления равна -1.
2.Степень окисления фтора во всех его соединениях
равна -1. Щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) во всех соединениях имеют степень окисления +1, а у элементов главной
подгруппы второй группы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) степень окисления равна +2.
80
3. Степень окисления кислорода в большинстве соединений
равна –2 . В соединении с фтором кислород имеет степень окисления +2. В пероксидах H2O2, Na2O2 степень окисления кислорода
равна –1, а его валентность (Н – О – О – Н, Na – O – O – Na) равна
двум.
4. Степень окисления атомов в простых веществах равна
нулю:
0
0
0
0
0
S,P,N,H,Cl .
8
4
2
2
2
5. Алгебраическая сумма степеней окисления всех элемен-
тов в соединении (с учетом числа атомов) всегда равна нулю.
Например, определим степень окисления азота в азотной
HNO3 и азотистой HNO2 кислотах. В азотной кислоте степень
окисления водорода равна +1, кислорода равна -2, степень окисления азота равна х:
+ 1 + х + (-2 · 3) = 0, х = +5.
В азотистой кислоте степень окисления азота равна:
+ 1 + х + (-2 · 2) = 0, х = +3.
6. Степень окисления может выражаться не только целым,
но и дробным числом. Например, степень окисления кислорода в
КО2 равна -1/2, а в КО3 -1/3.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: валентность –; степень окисления –;
высшая степень окисления –.
2. Какую валентность и степень окисления имеет азот в следующих соединениях: N2, N2H4, NH3?
3. Определите степень окисления марганца в соединениях:
MnO, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, K2MnO4, KMnO4. Укажите высшую
степень окисления марганца.
4. Определите степень окисления каждого элемента в соединениях: AsH3, Fe2O3, Ca3P2, P2O3, N2O5, Cu2O.
5. Составьте формулы соединений фосфора с магнием, с
азотом, кислородом (электроположительный элемент проявляет
максимальную степень окисления), назовите эти вещества.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]