Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая, неорганическая и аналитическая химия. Учебное пособие
.pdf
31
27. Как изменяются кислотно-основные свойства окси-
дов и гидроксидов в периодах с увеличением порядковых номеров 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 окислительновосстановительный характер этих соединений? Подчиняются
ли эти соединения общей закономерности изменения свойств
оксидов и гидроксидов?
29. В какой степени окисления галогены и элементы
подгруппы марганца проявляют наибольшее сходство в свойствах? Приведите примеры сходных соединений.
30.Составьте формулы оксидов и гидроксидов ванадия.
Как изменяется кислотно-основной и окислительновосстановительный 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 пе-
риодической 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?
32
34. Как изменяется прочность связи между атомами в
молекулах 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 наибольшаяэлектроотрицательность: 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.
33
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
связи
; кДж/моль) – мера её прочности,
определяется работой, необходимой для разрыва связей или
тепловым эффектом при образовании молекулы.
H + H → H2 + 435 кДж/моль
34
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: ко-
валентную, 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 частичный положительный заряд (δ+). Между центрами
зарядов в молекуле возникает некоторое расстояние. Такие
35
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.
Механизм 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
(акцептор) – 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.
36
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
3 Есвязи
(С_С) = 85 кДж/моль; l(С_С) = 1,543 Ǻ
Н2С=СН
2 Есвязи
(С=С) = 145 кДж/моль; l(С=С) = 1,353 Ǻ
НС≡СН Е
связи
(С≡С) = 198 кДж/моль; l(С≡С) = 1,205 Ǻ
Для объяснения пространственного строения молекул
используется представление о гибридизации валентных орбиталей в атоме в процессе образования им химических связей.
Под гибридизацией понимают процесс перестройки неравноценных по форме и энергии электронных облаков, приводящий к образованию гибридных облаков, одинаковых по
форме и энергии. При этом число гибридных орбиталей равно
числу исходных.
37
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
орбиталей различают следующие типы:
• sp-гибридизация – «смешение» одной s-орбитали и
одной p-орбитали с образованием двух sp-гибридных орбиталей, расположенных под углом 180
о
друг к другу.
• sp2-гибридизация - «смешение» одной s-орбитали и
двух p-орбиталей с образованием трех sp-гибридных орбиталей, расположенных под углом 120о друг к другу.
• sp3-гибридизация - «смешение» одной s-орбитали и
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
38
электроотрицательного атома к более электроотрицательному атому.
Na∙ + ∙Cl →Nа :Cl ( Na+Cl− )
∆ЭО= ЭО(Cl) − ЭО(Na) = 3,0 – 0,9 = 2,1
Атом, присоединивший электрон, становится отрицательно 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 не-
насыщаемостью, в отличие от ковалентной связи.
Металлическая связь – химическая связь между атомами 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 положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и
отрицательно поляризованным атомом с неподеленной элек-
39
тронной 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 электро-
нов по энергетическим ячейкам в:
а) невозбужденном состоянии
3s 3p 3d …
14
Si -…
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 спарены. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счет пары электронов каждого из фторид-ионов и
двух валентных 3d-орбиталей атома кремния.
40
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 валентныхорбиталей? 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 воз-
бужденном 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.
46. Какая связь называется - и какая - -связью? Какая
из них менее прочная и более реакционноспособная? Изобразите структурные формулы этана C2H6, этилена C2H4 и ацетилена C2H2. Отметьте - и -связи на структурных схемах углеводородов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]