Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая, неорганическая и аналитическая химия. Учебное пособие для студентов очной и заочной формы обучения направления подготовки 35.03.07 - «Технологи
.pdf
элементов? Ответ мотивируйте строением атомов элементов и
величин их важнейших характеристик: радиусов атомов и
электроотрицательностей.
28.Составьте формулы оксидов и гидроксидов марганца.
Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений? Подчиняются ли эти соединения общей закономерности изменения свойств оксидов и
гидроксидов?
29. В какой степени окисления галогены и элементы под-
группы марганца проявляют наибольшее сходство в свойствах? Приведите примеры сходных соединений.
30.Составьте формулы оксидов и гидроксидов ванадия.
Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений?
31. Исходя из положения галогенов в периодической си-
стеме, поясните, как изменяются восстановительные свойства
в ряду HCl – HBr – HJ. Почему HF входит в исключение?
32. Исходя из положения технеция, селена, цезия в пери-
одической системе, составьте формулы следующих соединений: технециевой кислоты, оксида селена, гидрокарбоната цезия, отвечающих их высшей степени окисления. Изобразите
структурные формулы соединений.
33. На основании строения атомов лития и бериллия по-
ясните, почему первый потенциал ионизации у лития меньше,
чем у бериллия, а второй потенциал ионизации лития больше,
чем у бериллия?
31
34. Как изменяется прочность связи между атомами в мо-
лекулах галогенов Cl2 – Br2 – J2? Почему молекула F2 выпадает
из общей закономерности?
35. У какого элемента наибольшая энергия ионизации: а)
Sr или Cd; б) Rb или Ag? У какого элемента наибольшая элек-
троотрицательность: а) As или Sb; б) As или Br?
36. Исходя из строения атомов элементов, определите,
какое основание более сильное:
а) Sr(OH)2 или Fe(OH)2; б) Cu(OH)2 или KOH; какая
кислота более сильная: а) H3AsO4 или H2SeO4; б) HClO4 или
HMnO4.
37. Какую высшую и низшую степени окисления прояв-
ляют вольфрам, теллур, серебро в соединениях? Почему? Составьте формулы соединений, отвечающих этим степеням
окисления и изобразите их структурные формулы.
38. Какие элементы принадлежат к f–электронному се-
мейству? На примерах строения атомов двух любых лантаноидов (или актиноидов) докажите, что химические свойства в
группах лантаноидов (или актиноидов) близки друг к другу.
39. Исходя из положения металлов в периодической си-
стеме, определите, какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: а) KOH или Mn(OH)2; б)
Zn(OH)2 или Сa(OH)2; в) Mg(OH)2 или Be(OH)2.
40. В ряду кислородных кислот хлора: HClO – HСlO2 –
HСlO3 - HClO4 определите, какая из кислот наиболее сильный
окислитель, какая из кислот наиболее сильный электролит.
32
V.III ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Под химической связью понимают явление взаимодей-
ствия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением энергии системы, а уменьшение энергии системы приводит к увеличению её устойчивости.
Условия образования химической связи:
1. Энергетический выигрыш.
2. Антипараллельные спины электронов в связывающей
молекулярной орбитали.
3. Перекрывание электронных облаков связывающихся
частиц.
Важными характеристиками химической связи являются
прочность и длина.
Энергия связи (Е
; кДж/моль) – мера её прочности,
связи
определяется работой, необходимой для разрыва связей или
тепловым эффектом при образовании молекулы.
H + H → H2 + 435 кДж/моль
33
или
H2 → H + H – 435 кДж/моль
Под длиной связи (ℓ; нм, Ǻ) понимают расстояние между
центрами ядер атома в молекуле или кристалле. Угол между
воображаемыми линиями, проходящими через ядра химически связанных атомов, называется валентным.
Например, в молекуле воды длина связи О – Н составляет 0,096 нм, а валентный угол – 104,50 .
Химическая связь образуется в том случае, когда электроны оказываются вблизи двух или нескольких ядер, благодаря взаимодействию электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов. Процесс этого взаимодействия может протекать различным образом. Поэтому в настоящее время
различают три основных типа химических связей: ковалент-
ную, ионную и металлическую.
Химическая связь, осуществляемая общими электронными парами, называется ковалентной. Ковалентная связь
двухэлектронная и двухцентровая (удерживает два ядра). Различают две ее разновидности: неполярную и полярную.
В случае ковалентной неполярной связи электронное
облако, образованное общей электронной парой, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих
атомов (например, в молекулах Н2, О2, Cl2, N2, F2).
H∙ + ∙H → H:H ( H + H → H-H)
:Cl∙ + ∙Cl: → :Cl:Cl: ( Cl + Cl → Cl−Cl )
В случае ковалентной полярной связи электронное облако смещено к атому с большей электроотрицательностью
(∆ЭO< 1,7). Например, в молекулах HCl, CO, SO2, электронная
пара связи смещается в сторону более электроотрицательного
атома, у которого возникает частичный отрицательный заряд
(δ-). У менее электроотрицательного атома возникает частич-
ный положительный заряд (δ+). Между центрами зарядов в мо-
34
лекуле возникает некоторое расстояние. Такие молекулы называют дипольными или диполями, а смещение электронов
связи называется поляризацией связи.
H∙+ ∙Cl → H:Cl
∆ЭO = ЭO(Cl) − ЭO(Н) = 3,0 − 2,1 = 0,9
Способ образования ковалентной связи, когда каждый из
взаимодействующих атомов предоставляет электроны для образования общих электронных пар, называется обменным. Ме-
ханизм образования ковалентной связи за счёт неподелённой
электронной пары донора и свободной орбитали акцептора
называется донорно-акцепторным. Например, при образовании катиона аммония атом азота (донор) предоставляет готовую (неподелённую) электронную пару, а атом водорода (ак-
цептор) – свободную орбиталь.
Рис. 2
Ковалентная связь характеризуется направленностью и
насыщаемостью.
Насыщаемость обусловлена тем, что число перекрываний электронных облаков ограничено числом неспаренных
электронов. Поскольку электронные облака направлены в пространстве (кроме s-), то и химические связи, образованные с их
участием, пространственно направлены.
Электронные облака имеют различную форму, их взаимное перекрывание может осуществляться разными способами.
Различают σ(сигма)- и π(пи)- связи.
35
σ−связь осуществляется при перекрывании атомных ор-
биталей вдоль линии соединения атомов. π-связь осуществляется при перекрывании атомных орбиталей по обе стороны от
линии соединения центров атомов (рис. 3).
Рис. 3
Степень перекрывания π-связи значительно меньше, чем
σ-связи, и, следовательно, π-связь менее прочная, чем σ-связь.
Одинарные связи образуются только за счет σ-связей, а крат-
ные связи могут иметь и π-связи. Кратные связи – это ковалентные связи, образованные более чем одной парой электронов. Увеличение кратности связи приводит к упрочению межатомной связи и к уменьшению длины связи
Н3С-СН
Н2С=СН
3 Есвязи
2 Есвязи
НС≡СН Е
(С_С) = 85 кДж/моль; l(С_С) = 1,543 Ǻ
(С=С) = 145 кДж/моль; l(С=С) = 1,353 Ǻ
(С≡С) = 198 кДж/моль; l(С≡С) = 1,205 Ǻ
связи
Для объяснения пространственного строения молекул ис-
пользуется представление о гибридизации валентных орбиталей в атоме в процессе образования им химических связей.
Под гибридизацией понимают процесс перестройки не-
равноценных по форме и энергии электронных облаков, приводящий к образованию гибридных облаков, одинаковых по
форме и энергии. При этом число гибридных орбиталей равно
числу исходных.
36
При гибридизации электронная энергия атома увеличи-
вается (энергетически невыгодный процесс), но затрата энергии компенсируется с избытком по следующим причинам:
1.Гибридные орбитали из-за своей большей вытянутости
в направлении связей полнее и глубже перекрываются с орбиталями связываемого атома, поэтому связи получаются более
прочными и достигается бóльший выигрыш в энергии.
2.При возбуждении один из спаренных валентных элек-
тронов переходит на другую гибридную орбиталь, то есть увеличивается ковалентность атома (количество неспаренных
электронов) и, следовательно, количество химических связей
(энергетически выгодный процесс).
В зависимости от числа участвующих в гибридизации ор-
биталей различают следующие типы:
sp-гибридизация – «смешение» одной s-орбиталии од-
ной p-орбитали с образованием двух sp-гибридных орбиталей,
расположенных под углом 180
о
друг к другу.
sp2-гибридизация - «смешение» одной s-орбиталии
двух p-орбиталей с образованием трех sp-гибридных орбиталей, расположенных под углом 120о друг к другу.
sp3-гибридизация - «смешение» одной s-орбиталии трех
p-орбиталей с образованием четырех sp-гибридных орбиталей,
расположенных под углом 109o28’ друг к другу.
Рис.4
Ионная связь – химическая связь между атомами, резко
отличающимися по электроотрицательности (∆ЭO> 1,7). Взаимодействие сопровождается переносом электрона от менее
37
электроотрицательного атома к более электро-отрицательному
атому.
Na∙ + ∙Cl →Nа :Cl ( Na+Cl− )
∆ЭО= ЭО(Cl) − ЭО(Na) = 3,0 – 0,9 = 2,1
Атом, присоединивший электрон, становится отрица-
тельно заряженным ионом (Cl−) − анионом; атом, отдавший
электрон, становится положительно заряженным ионом (Na+)
– катионом. Между ионами возникает электростатическое
взаимодействие с образованием
нейтральных молекул. Ион является
точечным электрическим зарядом,
у которого, по закону Фарадея, электрическое поле по всем направлениям одинаково. Поэтому ионная
связь обладает ненаправленностью
и ненасыщаемостью, в отличие от
ковалентной связи.
Металлическая связь – химическая связь между ато-
мами или ионами металла и относительно свободными общими валентными электронами («электронным газом»). В кристалле металла постоянно происходит обмен электронами потому, что у атомов много свободных валентных орбиталей и
электроны слабо притягиваются ядрами атомов. Эти орбитали
отдельных атомов перекрываются друг с другом, обеспечивая
электронам способность свободно перемещаться между ядрами во всем объёме металла. В кристаллической решетке металлов электроны обобществлены. Они непрерывно перемещаются между положительно заряженными ионами, которые расположены в узлах кристаллической решетки. При этом сравнительно небольшое число обобществленных электронов связывает большое число ионов.
Водородная связь – химическая связь между положи-
тельно поляризованным атомом водорода одной молекулы и
38
отрицательно поляризованным атомом с неподеленной электронной парой (F, O, N) другой молекулы. Эта связь является
разновидностью донорно-акцепторного взаимодействия, которая обуславливает её направленность. Процесс образования
водородной связи при взаимодействии молекул воды можно
представить схемой:
Энергия водородной связи составляет 8-40 кДж/моль, т.е.
на порядок меньше энергии ковалентной связи, но этой энергии достаточно для ассоциации молекул.
Примеры решения задач
Пример 1. Объясните механизм образования молекулы
SiF6 и иона [SiF6]2-
Решение. Приводим электронную формулу атома крем-
ния: 14Si-1s2 2s2 2p6 3s2 3p
2
Приводим графическую схему распределения электронов
по энергетическим ячейкам в:
а) невозбужденном состоянии
3s 3p 3d …
Si -…
14
3s 3p 3d…
б) при возбуждении 14Si*… ……
Четыре неспаренных электрона возбужденного атома
кремния могут участвовать в образовании четырех ковалентных связей с атомами фтора (9F – 1s2 2s2 2p5), имеющему по
одному неспаренному электрону с образованием молекулы.
Для образования иона [SiF6]
4-
к молекуле SiF4 присоединяются
два иона F- (1s2 2s2 2p6), все валентные электроны которых спа-
39
рены. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счет пары электронов каждого из фторид-ионов и
двух валентных 3d-орбиталей атома кремния.
Контрольные задания
41.На основании строения атомов в нормальном и воз-
бужденном состояниях определите ковалентность лития и бора
в соединениях: Li2Cl2, LiF, [BF4]-, BF3.
42.Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое
строение имеют молекулы типа ABn, если связь в них образуется за счет sp-, sp2-, sp3- гибридизации орбиталей атома A?
Приведите примеры молекул с указанными типами гибридизации.
43.На основании строения атомов в нормальном и возбужденном состояниях определите ковалетность бериллия и
углерода в молекулах BeCl2, (BeCl2)n, CO и CO2. Изобразите
структурные формулы молекул.
44. Какая химическая связь называется водородной? Приведите три примера соединений с водородной связью. Изобразите структурные формулы приведенных ассоциатов. Как влияет образование водородной связи на свойства веществ (вязкость, температуры кипения и плавления, теплоты плавления и
парообразования, диэлектрическую постоянную)?
45. Какой тип гибридизации в молекулах CCl4, H2O, NH3?
Изобразите в виде схем взаимное расположение гибридных облаков и углы между ними.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]