Материал: Строение вещества. методические указания к внеаудиторной самостоятельной работе по химии. Барсукова Л.Г., Вострикова Г.Ю

Решение типовых задач

Задача 1. В каких соединениях – Н2О, О2, СаО – связь имеет наибольшую степень ионности? В молекуле какого соединения связь ковалентная неполярная? Представьте механизм образования этой связи и укажите валентность кислорода в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение. Чем больше разница в электроотрицательностях взаимодействующих атомов, тем связь между ними будет более полярной, т.е. обладать большой долей ионности. Учитывая положение элементов в периодической системе, следует отметить, что ЭО увеличивается в ряду Са, Н, О. Отсюда следует, что наибольшая разность ЭО должна быть в соединении СаО.

Связь ковалентная неполярная существует между одинаковыми атомами, например, в молекуле О2. Покажем механизм образования этой связи исходя из метода валентных связей.

Графически представляем электронную формулу каждого атома кислорода и образование связей в молекуле О2.

Каждый атом кислорода имеет 2 неспаренных р-электрона на последнем электронном уровне, причем свободных орбиталей у него нет и даже при поглощении энергии распаривание электронов не произойдет. Таким образом, в результате перекрывания электронных облаков непарных р-электронов с антипараллельными спинами между двумя атомами кислорода возникает двойная связь: при перекрывании электронных облаков на линии связи (рх-рх) формируется σ-связь, при перекрывании электронных облаков по обе стороны от линии связи (ру-ру) – π-связь. π-связь менее прочная, чем σ-связь, т. к. у первой значительно меньше область перекрывания, чем у второй.

Обе связи в молекуле кислорода образованы по обменному механизму, т.е. каждый атом предоставлял для образования связи один непарный электрон. В этом случае кислород двухвалентен. Но у каждого атома кислорода остались две пары спаренных электронов, которые сохраняют свое состояние даже при возбуждении, и они тоже являются валентными, т.е. способными принимать участие в образовании связи по донорно-акцепторному механизму. Кислород представляет пару электронов атому, имеющему свободную электронную орбиталь на последнем уровне. Таким образом, кислород может образовать 4 связи (2 по обменному и 2 по донорно-акцепторному механизму), причем, несмотря на высокую ЭО, кислород будет донором электронов. Этот случай можно рассмотреть на примере воды, молекулы которой находятся в ассоциированном состоянии за счет межмолекулярного образования водородных связей, природа которых очень близка к донорно-акцепторному взаимодействию.

31

Решение. Донорно-акцепторные связи образуются соединениями, которые в возбужденном состоянии имеют в своем составе атомы с неподеленными электронными парами (доноры) или незанятыми орбиталями (акцепторы).

Молекула СН4 cодержит углерод, у которого нет ни свободных орбиталей, ни неподеленных электронных пар, четыре непарных электрона он использует для образования четырех ковалентных связей по обменному механизму.

Молекула MgH2 cодержит магний, который в возбужденном состоянии на последнем уровне имеет 2 непарных электрона и 7 незанятых орбиталей. За счет непарных электронов он образует две ковалентных связи по обменному механизму, а за счет свободных орбиталей может образовывать донорноакцепторные связи, выступая в роли акцептора, т.е. принимая электронные па-

разовывать три ковалентные связи по обменному механизму, а оставшуюся

Молекула BH3 содержит атом бора, который может за счет своего электронного строения в возбужденном состоянии образовывать три ковалентные связи по обменному механизму, а незанятую орбиталь предоставить для обра-

Так как валентность элемента определяется общим числом связей, то свободные орбитали или нераспаренные электроны последнего электронного уровня в возбужденном состоянии способствуют увеличению валентности.

Задача 4. Укажите ряд веществ, в котором представлены только полярные молекулы:

CO2, SO3, NH3; CCl4, NO, NO2; BF3, CO2, SO2; NH3, SO2, H2O.

Решение. Полярность молекул определяется полярностью образующих их связей и пространственным строением молекул. Электрический момент диполя молекулы равен векторной сумме электрических моментов диполей связей, имеющихся в молекуле.

Электрический момент диполя двухатомной молекулы µ равен электрическому моменту диполя связи µсв. Если связь неполярна, то и молекула неполярна.

34

В многоатомных молекулах зависимость электрического момента диполя молекулы от электрических моментов диполей связей более сложная. Например, молекула CO2, О = С = О неполярна, так как диполи полярных связей компенсируют друг друга О← С →О, а молекула H2O полярна, т.к. она имеет угловую конфигурацию

Суммарные электрические моменты диполей молекул с гибридизацией АО центрального атома таких, как CaCl2 (sp-гибридизация), BF3 (sp2-гибридизация), СН4 (sp3-гибридизация) равны нулю и эти молекулы неполярны. Но если атомы, связанные с центральным атомом неодинаковы, то молекула становится полярной (BF2Cl, СF2Cl2 и др.). Многоатомные молекулы неполярны при симметричном распределении заряда или полярны при ассиметричном распределении заряда.

В предложенном задании только полярные молекулы образуют ряд NH3, SO2, H2O, т.к. в других рядах CO2 (линейная структура) – молекула неполярна, CCl4 (тетраэдрическая структура) – неполярна, BF3 (плоский треугольник) – неполярна.

Упражнения для самостоятельной работы

1.Какие типы связи характерны для простых веществ?

2.Укажите соединение, в котором реализуется связь по донорно-акцепторному механизму: аммиак, хлорид аммония, хлороводород, азот. Ответ демонстрируйте графическими формулами молекул перечисленных веществ.

3.В каком соединении химическая связь характеризуется наибольшей степе-

нью ионности: NH3, BN, Li3N, NO2? Расположите перечисленные вещества в порядке снижения ионности.

4.Укажите углы связей в молекуле ацетилена (С2Н2). Представьте графически строение этой молекулы.

5.Назовите угол между связями в молекуле SiO2 и с помощью электронной формулы представьте геометрию молекулы. По какому механизму может образовывать связи Si и какова их насыщаемость? Какая молекула более полярна

CO2, SiO2, NO2?

6.Приведите примеры молекул, которые содержат только σ-связи; одну π- связь; одну σ-и две π-связи. Ответ иллюстрируйте графическими формулами молекул.

7.Какую пространственную конфигурацию имеют молекулы BaCl2, FeCl2, FeCl3, PbCl4, Cl2, CCl4? Ответ иллюстрируйте графическими электронными формулами молекул.

35