Задача 22
Укажите тип связи в молекуле. Чему равны валентность и степень окисления азота?Вариант а) \(NH_3\)
Тип связи: Ковалентная полярная. Азот и водород - неметаллы, их электроотрицательности различаются, поэтому связь полярная.
Валентность азота: В молекуле \(NH_3\) атом азота образует три ковалентные связи с тремя атомами водорода. Следовательно, валентность азота равна III.
Степень окисления азота: Водород в соединениях с неметаллами имеет степень окисления +1. В молекуле \(NH_3\) три атома водорода дают суммарный заряд +3. Чтобы молекула была электронейтральной, степень окисления азота должна быть -3.
Ответ: Тип связи - ковалентная полярная. Валентность азота - III. Степень окисления азота - -3.
Вариант б) \(N_2\)
Тип связи: Ковалентная неполярная. Молекула состоит из двух одинаковых атомов азота, поэтому разность электроотрицательностей равна нулю, и связь неполярная.
Валентность азота: В молекуле \(N_2\) атомы азота связаны тройной связью. Следовательно, валентность каждого атома азота равна III.
Степень окисления азота: В простом веществе степень окисления элемента всегда равна 0.
Ответ: Тип связи - ковалентная неполярная. Валентность азота - III. Степень окисления азота - 0.
Вариант в) \(NO_2\)
Тип связи: Ковалентная полярная. Азот и кислород - неметаллы, их электроотрицательности различаются.
Валентность азота: В молекуле \(NO_2\) азот образует две двойные связи с двумя атомами кислорода (одна из них может быть донорно-акцепторной, но для валентности это не меняет общего числа связей). Валентность азота равна IV.
Степень окисления азота: Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления -2. В молекуле \(NO_2\) два атома кислорода дают суммарный заряд -4. Чтобы молекула была электронейтральной, степень окисления азота должна быть +4.
Ответ: Тип связи - ковалентная полярная. Валентность азота - IV. Степень окисления азота - +4.
Вариант г) \(HNO_3\)
Тип связи: Ковалентная полярная. Молекула состоит из неметаллов (водород, азот, кислород), их электроотрицательности различаются.
Валентность азота: В молекуле \(HNO_3\) азот связан с тремя атомами кислорода. Одна связь одинарная, одна двойная и одна донорно-акцепторная. Общее число связей, образуемых азотом, равно IV. Следовательно, валентность азота равна IV.
Степень окисления азота: Водород имеет степень окисления +1, кислород -2. В молекуле \(HNO_3\) один атом водорода дает +1, три атома кислорода дают \(3 \cdot (-2) = -6\). Суммарный заряд от водорода и кислорода равен \(+1 - 6 = -5\). Чтобы молекула была электронейтральной, степень окисления азота должна быть +5.
Ответ: Тип связи - ковалентная полярная. Валентность азота - IV. Степень окисления азота - +5.
Вариант д) \(NO\)
Тип связи: Ковалентная полярная. Азот и кислород - неметаллы, их электроотрицательности различаются.
Валентность азота: В молекуле \(NO\) азот и кислород связаны двойной связью. Валентность азота равна II.
Степень окисления азота: Кислород имеет степень окисления -2. Чтобы молекула была электронейтральной, степень окисления азота должна быть +2.
Ответ: Тип связи - ковалентная полярная. Валентность азота - II. Степень окисления азота - +2.
Задача 23
Опишите с позиций метода валентных связей электронное строение молекулы.Вариант а) \(CCl_4\)
В молекуле \(CCl_4\) центральным атомом является углерод. Электронная конфигурация углерода: \(1s^2 2s^2 2p^2\). Для образования четырех ковалентных связей с атомами хлора, атом углерода переходит в возбужденное состояние: один электрон с 2s-орбитали переходит на 2p-орбиталь. Таким образом, у углерода становится четыре неспаренных электрона: \(1s^2 2s^1 2p^3\).
Далее происходит \(sp^3\)-гибридизация, в результате которой образуются четыре одинаковые гибридные \(sp^3\)-орбитали, направленные к вершинам тетраэдра. Каждый атом хлора имеет один неспаренный электрон на 3p-орбитали.
Образование связей: Каждая из четырех \(sp^3\)-гибридных орбиталей углерода перекрывается с 3p-орбиталью одного из атомов хлора, образуя четыре сигма (\(\sigma\)) связи C-Cl. Все связи одинарные.
Геометрическая форма: Тетраэдр.
Вариант б) \(MgO\)
Магний - металл (элемент II группы), кислород - неметалл (элемент VI группы). Разность электроотрицательностей между магнием и кислородом очень велика, поэтому связь в \(MgO\) является ионной.
Электронное строение: Атом магния (\(Mg\)) имеет электронную конфигурацию \([Ne]3s^2\). Он легко отдает два электрона, превращаясь в катион \(Mg^{2+}\) с электронной конфигурацией \([Ne]\).
Атом кислорода (\(O\)) имеет электронную конфигурацию \([He]2s^2 2p^4\). Он принимает два электрона, превращаясь в анион \(O^{2-}\) с электронной конфигурацией \([Ne]\).
Связь образуется за счет электростатического притяжения между положительно заряженным ионом \(Mg^{2+}\) и отрицательно заряженным ионом \(O^{2-}\). В твердом состоянии \(MgO\) образует ионную кристаллическую решетку.
Вариант в) \(C_2H_2\) (ацетилен)
В молекуле \(C_2H_2\) (ацетилен) два атома углерода связаны между собой, и каждый атом углерода связан с одним атомом водорода.
Электронная конфигурация углерода: \(1s^2 2s^2 2p^2\). В возбужденном состоянии: \(1s^2 2s^1 2p^3\).
Для образования тройной связи между атомами углерода и одинарных связей с водородом, каждый атом углерода подвергается \(sp\)-гибридизации. В результате образуются две гибридные \(sp\)-орбитали и две негибридизованные p-орбитали.
Образование связей:
- Одна \(sp\)-гибридная орбиталь одного атома углерода перекрывается с одной \(sp\)-гибридной орбиталью другого атома углерода, образуя одну сигма (\(\sigma\)) связь C-C.
- Вторая \(sp\)-гибридная орбиталь каждого атома углерода перекрывается с 1s-орбиталью атома водорода, образуя две сигма (\(\sigma\)) связи C-H.
- Две негибридизованные p-орбитали каждого атома углерода (расположенные перпендикулярно друг другу и оси C-C) перекрываются боковым образом с соответствующими p-орбиталями другого атома углерода, образуя две пи (\(\pi\)) связи C-C.
Таким образом, между атомами углерода образуется тройная связь (одна \(\sigma\)-связь и две \(\pi\)-связи).
Геометрическая форма: Линейная, так как \(sp\)-гибридные орбитали направлены под углом 180 градусов друг к другу.
Вариант г) \(CO_2\)
В молекуле \(CO_2\) центральным атомом является углерод, связанный с двумя атомами кислорода.
Электронная конфигурация углерода: \(1s^2 2s^2 2p^2\). В возбужденном состоянии: \(1s^2 2s^1 2p^3\).
Для образования двух двойных связей с атомами кислорода, атом углерода подвергается \(sp\)-гибридизации. Образуются две гибридные \(sp\)-орбитали и две негибридизованные p-орбитали.
Атом кислорода имеет электронную конфигурацию \([He]2s^2 2p^4\). У него есть два неспаренных электрона на p-орбиталях.
Образование связей:
- Одна \(sp\)-гибридная орбиталь углерода перекрывается с p-орбиталью одного атома кислорода, образуя одну сигма (\(\sigma\)) связь C-O.
- Вторая \(sp\)-гибридная орбиталь углерода перекрывается с p-орбиталью другого атома кислорода, образуя вторую сигма (\(\sigma\)) связь C-O.
- Одна негибридизованная p-орбиталь углерода перекрывается боковым образом с p-орбиталью первого атома кислорода, образуя одну пи (\(\pi\)) связь C-O.
- Вторая негибридизованная p-орбиталь углерода перекрывается боковым образом с p-орбиталью второго атома кислорода, образуя вторую пи (\(\pi\)) связь C-O.
Таким образом, между углеродом и каждым атомом кислорода образуется двойная связь (одна \(\sigma\)-связь и одна \(\pi\)-связь).
Геометрическая форма: Линейная, так как \(sp\)-гибридные орбитали направлены под углом 180 градусов друг к другу.
Вариант д) \(AlI_3\)
В молекуле \(AlI_3\) центральным атомом является алюминий, связанный с тремя атомами иода.
Электронная конфигурация алюминия: \([Ne]3s^2 3p^1\). Для образования трех ковалентных связей, атом алюминия переходит в возбужденное состояние: один электрон с 3s-орбитали переходит на 3p-орбиталь. Таким образом, у алюминия становится три неспаренных электрона: \([Ne]3s^1 3p^2\).
Далее происходит \(sp^2\)-гибридизация, в результате которой образуются три одинаковые гибридные \(sp^2\)-орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120 градусов друг к другу. Каждый атом иода имеет один неспаренный электрон на 5p-орбитали.
Образование связей: Каждая из трех \(sp^2\)-гибридных орбиталей алюминия перекрывается с 5p-орбиталью одного из атомов иода, образуя три сигма (\(\sigma\)) связи Al-I. Все связи одинарные.
Геометрическая форма: Плоский треугольник.
Задача 24
Укажите тип гибридизации и геометрическую форму молекулы вещества.Вариант а) \(H_2Te\)
Центральный атом - теллур (Te). Теллур находится в VI группе, имеет 6 валентных электронов. Два из них участвуют в образовании связей с водородом, а четыре остаются в виде двух неподеленных электронных пар.
Общее число электронных пар вокруг центрального атома: 2 связывающие пары + 2 неподеленные пары = 4 электронные пары.
Тип гибридизации: \(sp^3\).
Геометрическая форма: Угловая (или изогнутая), так как две неподеленные электронные пары отталкивают связывающие пары, уменьшая угол между связями по сравнению с идеальным тетраэдрическим углом (109.5°).
Ответ: Тип гибридизации - \(sp^3\). Геометрическая форма - угловая.
Вариант б) \(NH_3\)
Центральный атом - азот (N). Азот находится в V группе, имеет 5 валентных электронов. Три из них участвуют в образовании связей с водородом, а два остаются в виде одной неподеленной электронной пары.
Общее число электронных пар вокруг центрального атома: 3 связывающие пары + 1 неподеленная пара = 4 электронные пары.
Тип гибридизации: \(sp^3\).
Геометрическая форма: Тригональная пирамида (или пирамидальная), так как неподеленная электронная пара отталкивает связывающие пары, формируя пирамидальную структуру с азотом на вершине.
Ответ: Тип гибридизации - \(sp^3\). Геометрическая форма - тригональная пирамида.
Вариант в) \(SiH_4\)
Центральный атом - кремний (Si). Кремний находится в IV группе, имеет 4 валентных электрона. Все четыре участвуют в образовании связей с водородом.
Общее число электронных пар вокруг центрального атома: 4 связывающие пары + 0 неподеленных пар = 4 электронные пары.
Тип гибридизации: \(sp^3\).
Геометрическая форма: Тетраэдр, так как все четыре электронные пары являются связывающими и равномерно отталкиваются друг от друга.
Ответ: Тип гибридизации - \(sp^3\). Геометрическая форма - тетраэдр.
Вариант г) \(SbBr_3\)
Центральный атом - сурьма (Sb). Сурьма находится в V группе, имеет 5 валентных электронов. Три из них участвуют в образовании связей с бромом, а два остаются в виде одной неподеленной электронной пары.
Общее число электронных пар вокруг центрального атома: 3 связывающие пары + 1 неподеленная пара = 4 электронные пары.
Тип гибридизации: \(sp^3\).
Геометрическая форма: Тригональная пирамида, аналогично \(NH_3\).
Ответ: Тип гибридизации - \(sp^3\). Геометрическая форма - тригональная пирамида.
Вариант д) \(BCl_3\)
Центральный атом - бор (B). Бор находится в III группе, имеет 3 валентных электрона. Все три участвуют в образовании связей с хлором.
Общее число электронных пар вокруг центрального атома: 3 связывающие пары + 0 неподеленных пар = 3 электронные пары.
Тип гибридизации: \(sp^2\).
Геометрическая форма: Плоский треугольник, так как три электронные пары равномерно отталкиваются друг от друга в одной плоскости.
Ответ: Тип гибридизации - \(sp^2\). Геометрическая форма - плоский треугольник.
Задача 25
Укажите типы связей между атомами в молекулах. Сколько электронных пар участвуют в образовании связей между атомами?Вариант а) \(F_2\)
Тип связи: