2. ЗаданиЯ по теме «ковалентная химическая связь и строение молекулярных частиц»

2.1.Опишите строение предложенных в варианте задания молекул и молекулярных ионов по методу валентных связей (мвс):

а) составьте структурную формулу;

б) определите геометрию молекулы (молекулярного иона) по методу отталкивания валентных электронных пар;

в) определите полярность связей и полярность молекулярной частицы;

г) объясните, как образуются связи:

- укажите, какие связи (σ, π) в молекулярной частице;

- механизм образования (обменный или донорно-акцепторный);

- из каких частиц (атомов, ионов) формируется молекулярная частица;

- составьте электронно-графические формулы валентных электронов (в основном и возбужденном состояниях);

- определите тип гибридизации атомных орбиталей центрального атома;

• составьте схему перекрывания атомных орбиталей, при образовании

σ – связей;

- опишите, как образуются π- связи.

Пример

Описать строение молекулы NH₃ по методу валентных связей (МВС).

Решение:

Составим электронные формулы атомов.

₇N 1s²2s²2p³ валентные электроны 2s²2p³; ↑ ↓ ↑ ↑ ↑

₁H 1s¹ валентный электрон 1s¹ ↓

Атом азота имеет три неспаренных электрона и четыре валентные атомные орбитали. Возбужденное состояние для него энергетически невыгодно, так как в валентном уровне нет свободных орбиталей. Валентность атома азота в соединениях может быть 3 или максимально – 4. У атома водорода один неспаренный электрон и его валентность в соединениях только 1.

Атом N является центральным, вокруг которого координируются атомы Н.

Можно записать структурную формулу молекулы NH₃.

Атом азота находится в основном состоянии. Три неспаренных электрона образуют три ковалентные σ- связи по обменному механизму. В образовании связей у атома азота принимают участие одна s-орбиталь и три p-орбитали (с учетом неподеленной пары электронов). Следовательно, должна наблюдаться sp³- гибридизация валентных атомных орбиталей атома азота.

σ-Связи N-H образуются по обменному механизму перекрыванием sp³-гибридных атомных орбиталей атома азота и 1s-орбиталей атомов водорода.

sp³ –Гибридные атомные орбитали ориентированы из центра тетраэдра к его вершинам, под углом 109°28'. Одна из вершин «тетраэдра» (в направлении неподеленной электронной пары) остается свободной. Таким образом, молекула NH₃ имеет геометрическую форму треугольной пирамиды, вершиной которой является атом азота, а в основании находятся атомы водорода. Валентный угол между связями HNH должен составлять 109°28'.

Степень ионности связи N-H находим на основании табл. 6 и 7. Чем выше различие в ЭО, тем в большей степени cвязь приближается к ионной. Например, для связи Н-F: ΔЭО = 4-2,1=1,9; следовательно, связь полярно-ионная на 50%.

Рассчитаем ионность связи N-H. Значение ∆ЭО=0,9 находится между значениями 0,6 и 1,2. Разница 1,2-0,6=0,6 единиц, разница степени ионности: (25 – 7 = 18). Разница ∆ЭО в нашем случае: (0,9 - 0,6 = 0,3). На разность ∆ЭО = 0,3 приходится разность степени ионности, рассчитанная по пропорции:

0,6 - 18 х=9.

0,3 - х

Прибавляем 9 к меньшему значению 7 и получаем степень ионности связи N-H: (7 + 9=16%).

Так как σ - связи молекулы полярные и молекула NH₃ имеет несимметричное строение, то суммарный дипольный момент молекулы не равен 0 (μ≠0), т.е. молекула NH₃- полярная и ее можно представить как диполь, в котором избыточный отрицательный заряд находится на азоте, а положительный на атомах водорода.

Теоретический валентный угол HNH (без учета гибридизации) равен 90°, но так как наблюдается sp³-гибридизация, валентный угол должен приблизиться к 109°28', справочные данные -107°.

Таблица 6

Определение степени ионности связи

ΔЭО	0	0.6	1.2	1.8	2.2	2.6
Степень ионности связи, %	0	7	25	47	61	74

Таблица 7

Относительные электроотрицательности элементов (по Полингу)

Н 2,2

Li 1,0

Be 1,6

В 1,8

C 2,5

N 3,0

O 3,4

F 4,0

Nа 0,93

Mg 4,3

Al 1,6

Si 1,9

P 2,2

S 2,6

Cl 3,2

K 0,82

Ca 1,0

Sc 1,4

Ti 1,5

V 1,6

Cr 1,7

Mn 1,6

Fe 1,8

Co 1,9

Ni 1,9

Cu 2,0

Zn 1,6

Gd 1,8

Ge 2,0

As 2,2

Se 2,6

Br 3,0

Rb 0,82

Sr 0,9

Y 1,2

Zr 1,5

Nb 1,6

Mo 2,2

Tc -

Ru 2,2

Rh 2,3

Pd 2,2

Ag 1,9

Cd 1,7

In 1,6

Sn 1,8

Sb 2,0

Te 2,1

I 2,7

Cs 0,79

Ba 0,9

Pt 2,3

Au 2,5

Hg 2,0

Tl 2,0

Pb 2,3

Bi 2,0

PO -

Значения, указанные для переходных металлов, относятся к состоянию окисления +2.

Таблица 8

Геометрия основных типов молекулярных структур

Число стерео-активных электр. пар	Расположение Электронных пар	Число связы-вающих электр. пар	Число непо-делен-ных пар	Геометрия молекулы	Примеры
1	2	3	4	5	6
2	линейное	2	0	линейная =Х= линейная	СO2, N2O, HCN
3	треугольное равностороннее	3 2	0 1	плоская треугольная изогнутая		SO3, BF3, СН2О CO32-,NO3- SO2, NO2-

Продолжение

1	2	3	4	5	6
4	тетраэдрическое	4 3 2	0 1 2	тетраэдричес-кая тригональная пирамидальная изогнутая	CH4, NH4+ SO42- BF4- NH3, ClO3-, SO32- PCl3 H3O+ H2O ClO2-
5	тригональное бипирамидальное	5 4 3 2	0 1 2 3	тригональная бипирамидаль-ная «ходульная» Т-образная линейная	PCl5 SbCl5 SF4 TeCl4 ClF3 BrF3 XeF2 J3-
6	октаэдрическое	6 5 4	0 1 2	октаэдрическая пирамидальная квадратная плоская квадратная	SF6 SiF2- PF6- BrF5,ХeOF4, SbCl5 BrF4-, ХeF4

3. Задания по теме

«МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И

СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ»

3.1. Проанализируйте влияние сил межмолекулярного взаимодействия на свойства веществ (решите задачу с указанным номером).

Задачи

3.1.1.Чем отличается взаимодействие между атомами или молекулами за счет ванн-дер-ваальсовых сил от химического взаимодействия?

2. За счет каких связей может осуществиться взаимодействие между молекулами:

а) Н₂ и О₂; H₂ и Н₂О;

б) NF₃ и BF₃; HCl и HCl;

в) HF и HF N₂ и N₂?

3.1.3. Определите, для какого из перечисленных веществ характерна наибольшая энергия ориентационного и дисперсионного взаимодействия:

Свойство	He	Ar	CO	HCl	NH3	H2O
Дипольный момент μ, Д	0	0	0,12	1,03	1,5	1,84
поляризуемость,А0	0,20	1,63	1,99	2,63	2,21	1,48

3.1.4. Чем объяснить близость температур кипения азота (-195,8°С), кислорода (-183⁰, С) и фтора (-187,9° С)?

Почему намного отличается от них температура кипения хлора (-34°С)?

3.1.5.Можно ли образование водородных связей между молекулами рассматривать как результат ориентационного взаимодействия сильнополярных молекул?

3.1.6. Между молекулами каких веществ могут образовываться водородные связи: HF, HI, H₂O, H₂Te, NH₃, PH₃, CH₄, SiH₄?

3.1.7. Объясните различие во вкладе отдельных видов межмолекулярного взаимодействия в общую энергию этого взаимодействия для приведенных веществ. Проанализируйте зависимость температуры кипения этих веществ от энергии их межмолекулярного взаимодействия

Молекулы	Энергия межмолекулярного взаимодействия, кДж/моль				Ткип.,К
	ориентационного	индукционного	дисперсионного	общая
Аr	0	0	8,50	8,50	76
СО	0	0	8,75	8,75	81
HCl	3,31	1,00	16,83	21,14	188
NH3	13,31	1,55	14,74	29,60	239
H2O	36,38	1,93	9,00	47,31	373

3.1.8. Чем объяснить разную энергию водородных связей, образуемых молекулами различных веществ? Сравните:

Связь: F - H...F- О - Н...О- N - H...N- O - H...N-

Е, ккал/моль: 6-8 3-7 3-5 4-7

3.1.9.Какие из перечисленных явлений можно объяснить формированием прочной водородной связи: 1) кальций взаимодействует с водородом с образованием гидрида кальция; 2) реакция хлора с водородом имеет цепной характер; 3)температура кипения Н₂О выше, чем Н₂S; 4) температура кипения C₇H₁₆ выше, чем C₃H₈? Дайте обоснованный ответ.

10. Объясните причину различия межъядерных расстояний водород-кислород в решетке льда (1 и 1,5А⁰) и в димере уксусной кислоты (1 и 2,76А).

11. Объясните закономерности в изменении температур плавления простых веществ: а) в ряду галогенов; б) в ряду простых веществ, образуемых элементами II периода?

12. Как и почему изменяются температуры плавления и кипения в ряду инертных газов? Какое вещество и почему имеет самую низкую температуру кипения и плавления?

13. Объясните, почему температура плавления Н₂О значительно выше температуры плавления HF (-83°С), хотя дипольный момент молекулы Н₂О (1,84 Д) меньше, чем молекулы HF (1,91 Д).

14. Проанализируйте влияние межмолекулярной водородной связи на температуру кипения:

а) гидридов р-элементов V группы ;

б) гидридов р-элементов VI группы;

в) гидридов р-элементов VII группы .

10. Почему происходит резкий скачок в температурах кипения при переходе от галогенида III группы к галогениду IV группы:

NaF MgF₂ AlF₃ SiF₄ PF₅ SF₆

Т.кип.,°С 1700 2260 1257 - 95 -85 -64

10. Чем вызвано увеличение Т кип. и теплоты испарения ΔН_испар с ростом порядкового номера элемента - благородного газа?

Не Ne Аг Кг Xe Rn

Т.кип.,К: 4,2 27 87 120 165 211

ΔН_испар,ккал/моль: 0,02 0,43 1,56 2,16 3,02 4,01

10. Температуры кипения указанных веществ возрастают монотонно. Объясните это явление.

а) ВF₃ BCI₃ ВВг₃

Т. кип,К: 172 286 364

б) NF₃ PF₃ AsF₃

Т.кип.,K: I44 178 336 .

10. Чем объяснить уменьшение Тпл. в ряду: Sb – Te - I - Хе соответственно: 631; 450; 113; - 111⁰С?

Как изменяется характер химической связи в твердых веществах в этом ряду?

10. Объясните близость физических констант СО и N₂ и значительное отличие свойств Ne:

СО N₂ Ne

ΔН_испар, ккал/моль: 1,44 1,34 0,43

Т.кип., К: 81,7 77,4 27

10. В каких веществах наблюдаются ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия?

Какие межмолекулярные взаимодействия возникают в веществах:

Не CO₂ SiO₂ CH₄ H₂O Br₂ NaCl

Т.пл., К: 3,3 - 2000 89 273 267 1073

Т.кип.,К: 4,2 194 2500 111 373 332 1690?

10. Проанализируйте справочные значения температур кипения: СН₄, СН₃С1, СН₂С1₂, СНС1₃, СС1₄.

Сделайте выводы.

10. Какое вещество имеет более высокие температуры кипения и плавления:

а) HCOCH₃; б) CH₃COOH; в) С₂Н₂? Дайте объяснения.

23. У какого соединения С₂Н₅ОН или C₂H₅SH выше температура кипения? Почему? Подтвердите свои выводы справочными данными.

24. Объясните причину того, что Н₂О₂ кипит при значительно более высокой температуре (150° С) по сравнению с водой, хотя их температуры плавления близки (0 и -0,46°С)

25. Проанализируйте справочные значения температур кипения для веществ: C₃H₈; CH₃COCH₃; C₂H₅COOH. Сделайте выводы.

Методические указания к выполнению задания 3.1

При решении задач задания 3.1 следует учесть, какого типа взаимодействия возникают между структурными частицами вещества и от каких факторов зависит энергия межмолекулярного взаимодействия (см.табл.9).

Силы межмолекулярного взаимодействия слабее сил, приводящих к образованию ковалентной связи, но проявляются они на больших расстояниях.

Кроме того, дисперсионное взаимодействие является универсальным для всех веществ; силы Ван-дер-Ваальса возрастают с увеличением молекулярной массы соединений.

Таблица 9