Задания для самостоятельной работы

1. Составьте полные электронные формулы, а также электронно-гра-фические схемы внешних квантовых слоев атомов элементов V, As и Ва.

2. Составьте конфигурации ионов Ni²⁺, Co³⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, S^2, Cl^ .

3. Какой элемент наиболее активен как неметалл: С, P или N ?

4. Атомам каких элементов соответствуют следующие электронные формулы: ...3s²3p⁶3d¹⁰4s² и ...3s²3p⁶3d⁰4s² ?

5. Определите порядковый номер элемента с электронной конфигурацией атома ...4s²4p².

6. В каком периоде и в какой группе находится элемент, атом которого имеет 34 электрона? К какому семейству элементов (s-, p-, d- или f-) он относится ?

7. Составьте электронные конфигурации внешних квантовых слоев атомов элементов с порядковыми номерами в периодической системе 3 и 13 и сопоставьте их свойства.

Глава 3. Химическая связь

Химическая связь - связь между химическими частицами (атомами, ионами, молекулами), объединяющая их в более сложные структуры (молекулы, ионы, ассоциаты).

Ее образование всегда энергетически выгодно, т.е. сопряжено с выделением энергии. Химическая связь - взаимодействие между частицами, реализация которого связана с перераспределением, в основном, их внешних электронов. В зависимости от способа реализации различают следующие типы связи: ковалентная, ионная, металлическая, водородная.

3.1. Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов внешнего (валентного) слоя атомов двумя ядрами. Это связь за счет общей пары электронов. Она возникает между атомами элементов с одинаковыми (близкими) свойствами (разница в ОЭО < 2.5). Например: Н₂, N₂, H₂O, NH₃, HCl, . При возникновении ковалентной связи происходит перекрывание двух атомных орбиталей каждого из участников с образованием локализованной молекулярной орбитали, принадлежащей обоим ядрам и способной удерживать два электрона с противоположными спинами. Максимум перекрывания может при этом находиться или на линии, соединяющей центры атомов (концевое перекрывание, -связь) или симметрично по обе стороны от этой линии (боковое перекрывание, -связь). Образование молекулярной орбитали с электронной парой возможно по двум механизмам.

Ковалентная связь характеризуется энергией, длиной, кратностью, полярностью, насыщаемостью и направленностью.

Энергия связи - это та энергия, которая выделяется при образовании молекулы из одиночных атомов (кДж/моль). Энергия связи - мера ее прочности.

Длина связи - расстояние между ядрами (нм, Е).

Кратность связи определяется числом электронных пар, связывающих два атома. Она может выражаться не только целым, но и дробным числом (например, кратность связи СС в бензоле составляет 1.5).

Полярность связи обусловливается различием в электроотрицательности атомов и смещением электронной плотности молекулярной орбитали к более электроотрицательному атому. Ковалентную связь делят на неполярную (образована атомами с одинаковой электроотрицательностью - Н₂, N₂) и полярную (образована атомами с разной электроотрицательностью - Н₂O, HCl). Количественной характеристикой полярности связи является величина дипольного момента. Векторная сумма дипольных моментов всех связей определяет полярность молекулы в целом.

Под поляризуемостью связи понимают способность связывающей электронной пары смещаться к одному из атомов под действием внешнего электрического поля, в частности, создаваемого приблизившейся полярной молекулой. Поляризуемость молекулы определяется векторной суммой наведенных дипольных моментов всех связей. Поляризуемость связи с атомами элементов, имеющих подобные конфигурации внешних квантовых слоев, возрастает с увеличением размера атома. Например, поляризуемость связи НХ возрастает в ряду Х = Cl, Br, I.

Под насыщаемостью понимают способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Атомы образуют молекулу в таком стехиометрическом соотношении, что все неспаренные электроны задействованы в образовании связи. Этот принцип не выполняется для молекул NO, NO₂, O₂, содержащих неспаренные электроны. В молекуле могут быть и вакантные атомные орбитали или орбитали, заселенные неподеленными электронными парами. Такие молекулы химически ненасыщены и могут быть, соответственно, акцепторами или донорами электронных пар в дальнейших химических превращениях (см. вышеприведенный пример образования иона аммония).

К принципу насыщаемости связи примыкает понятие валентного состояния атома. Оно не отражает реальный метод получения молекул из атомов, позволяя, тем не менее, оценить, как происходит комбинация атомов с образованием молекулы. Валентным может быть как основное, так и возбужденное состояние атома, а валентной конфигурации элемента в соединении может отвечать как конфигурация нейтральной системы (атома), так и иона (подробнее о понятии валентности см главу 4).

Направленность связи предопределена тем, что молекулы имеют определенное пространственное строение, поскольку локализованные молекулярные орбитали должны располагаться по принципу наименьшего взаимного отталкивания.

Этот принцип реализуется в концепции гибридизации атомных орбиталей, под которой понимают перераспределение электронной плотности, при котором образуются новые по форме, но одинаковые для всех валентных электронов электронные орбитали. В результате атом предоставляет на образование связей гибридные орбитали, имеющие строго определенное направление в пространстве. Число образующихся гибридных орбиталей равно суммарному числу исходных, а их название показывает, какие орбитали и в каком количестве подверглись гибридизации.

Для определения геометрической формы молекулы надо установить тип гибридизации центрального атома, учитывая суммарное количество валентных электронов, идущих на образование -связей (равно числу партнеров), а также свободных электронных пар во внешнем квантовом слое. Так, sp-гибриды дают линейные, sp²-гибриды - плоские тригональные, sp³-гибриды - тетраэдрические молекулы. При наличии d-орбиталей в валентном слое атома могут быть и другие типы гибридизации, в частности, dsp² (квадраты), d²sp³ (октаэдры).

Кратная связь, образованная атомами, имеющими более одного валентного электрона, наряду с -компонентой, образованной гибридными атомными орбиталями, содержит одну или две -компоненты, образованные негибридизованными р- и d-орбиталями.