Контрольные вопросы

41.Исходя из положения германия и технеция в периодической системе, составьте формулы мета-, ортогерманиевой кислот и оксида технеция, отвечающие их высшей степени окисления.

41. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность S- и p- элементов

в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

43.Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрица­тельность p- элементов в периоде, в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

44. Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе составьте формулы водородного соединения германия, окси- да молибдена и рениевой кислоты, отвечающие их высшей степени окисления.

45. Что такое сродство к электрону? B каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

46. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего пери­ ода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисле-­ ния. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.

47.Какой из элементов четвертого периода - ванадий или мышьяк - обладает более выраженным металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? От­вет мотивируйте исходя из строения атомов данных элементов.

48. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите урав­нения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IУ).

49. У какого элемента четвертого периода - хрома или селена – силь -­ нее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов об­- разует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

50. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответству-­ ющие соединения?

51. У какого из p- элементов пятой группы периодической системы - фосфора или сурьмы - сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

52. Исходя из положения металла в периодической системе, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более сильное основание: Ba(OH)₂ или Mg(OH)₂; Ca(OH)₂, или Fe(OH)_2; Cd (OH)₂ или Sr (OH)₂?

53. Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: C OH или C (OH)₂; e(OH)₂, или Fe(OH)₃; Sn(OH)₂ или Sn(OH)₄? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).

54. Какую низшую степень окисления проявляет водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответ­- ствующие соединения?

55. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

56. Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окис-­ ления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).

57. Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно уве­- личиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периоди­- чески. Чем это можно объяснить. Дайте мотивированный ответ.

58. Какова современная формулировка периодического закона? Объясни­те, почему в периодический системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, иодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?

59. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и иод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

60. Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы об­ разуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂O₅? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ. КОНДЕНСИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

B зависимости от характера распределения валентных электронов в веществе различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь

Для квантово-механического описания ковалентной связи и строения молекул могут быть применены два подхода: метод валентных связей (BC) и метод молекулярных орбиталей (МO) .

МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ (BC) допускает образование только двух- центровых двухэлектронных химических связей. Каждый из двух взаимо­действующих атомов предоставляет для формирования связи одну AO, такие AO перекрываются, и в области связывания появляются два электрона. При этом метод BC постулирует два различных механизма образования связи (каждая AO показана "лепестком"):

А + В А В … (I)

А + В А В … (II)

Механизм (I) называется равноценным, поскольку в перекрывании со сто­роны обоих атомов участвуют AО с неспаренным валентным электроном.

Механизм (2) называется донорно-акцепторным, так как атом A (акцептор) отдает на перекрывание свою вакантную валентную AO (без электронов), а атом B (донор) - AO с парой валентных электронов. Результат действия обоих механизмов одинаков - возникает двухцентровая (между ядрами ато­мов A и B) и двухэлектронная (в виде общей для атомов A и B пары элек­тронов) химическая связь.

Молекула H₂ содержит одинарную (однократную) химическую связь H - H:

H H

Этa связь образовалась при прямом (максимально выгодном) перекры­вании орбиталей. Такое перекрывание называют - связыванием, a са­му связь - - связью.

Так как в рассматриваемом случае связь осуществляется двумя оди­наковыми атомами, то область перекрывания электронных облаков притя­гивается обоими ядрами с равной силой и поэтому максимум электронной плотности располагается точно посредине между ядрами. Такая химическая связь называется неполярной. При частичном смещении области перекрыва­ния к одному из атомов образуется полярная связь. При полярной связи вероятность нахождения электрона у ядра одного из атомов выше, чем у другого.

Между атомами других элементов возможно образование кратных свя­зей - двойных и тройных (показан донорно-акцепторный механизм их обра­зования):

А + В А В, или А = В

(C₂H₄)

А + В А В, или А = В

(C₂H₂)

B этих случаях одна из составляющих кратной связи также есть peзультат - связывания (происходящего как бы в первую очередь). Другие составляющие, образовавшиеся как бы во вторую очередь при бо­ковом, менее выгодном перекрывании (изображено волнистой линией) дру­гих валентных орбиталей тех же атомов, - это - связи.

Для предсказания реального геометрического строения многоатомных частиц, образованных атомами Sp - элементов, разработана теория гиб­ридизации орбиталей центрального атома.

Согласно теории гибридизации, частице AB те валентные орбитали центрального атома A, которые участвуют в образовании - связей A-B или содержат неподеленные пары электронов, не сохраняют своей ин­дивидуальности (т.е. не являются чистыми ns -, np - или nd- AO). Они гибридизируются (изменяют свою симметрию) и получают точное направление в пространстве, причем их взаимная направленность максималь­но симметрична (для данного числа AO) относительно центра атома A. При этом перекрывание гибридных орбиталей центрального атома с AO партнеров по - связям усиливается, прочность химической связи воз­растает и частица получает максимальную для нее устойчивость. Известны следующие типы гибридизации:

SP - линейная;

SP²- треугольная;

Sp³- тетраэдрическая;

SP ³d - тригонально-бипирамидальная;

SP ³ d² - октаэдрическая.

МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ (МО) исходит из предположения, что состояние электронов в молекуле может быть описано как совокупность молекулярных электронных орбиталей (молекулярных электронных облаков), причем каждой молекулярной орбитали соответствует определённый набор молекулярных квантовых чисел. Как и в любой другой многоэлектронной системы, в молекуле сохраняет свою справедливость принцип Паули, так что на каждой MO могут находиться не более двух электронов, которые должны обладать противоположно направленными спинами. Действует также правило Хунда, согласно которому минимальной энергии молекулы соответ­ствует такое распределение электронов по энергетически равноценным орбиталям, при котором абсолютное значение суммарного спина молекулы максимально. Если на MO имеются неспаренные электроны, молекула пара­магнитна; если все электроны спарены - диамагнитна.

Ионная связь

Связь такого типа осуществляется в результате взаимного электро­статического притяжения противоположно заряженных ионов.

Ионы могут быть простыми, т.е. состоящими из одного атома (напри­мер, катионы Na⁺, K⁺, анионы F, Ct ^-) или сложными, т.е. состоя­щими из двух или более атомов (например, катион NH⁺₄, анионы OH^-, NO^-₃, SO₄^2-).

B отличие от ковалентной связи, ионная связь не обладает направленностью, насыщаемостью.

Металлическая связь

Металлы отличаются от других веществ высокой электропроводностью и теплопроводностью. Они в обычных условиях являются кристаллическими веществами, структуры которых характеризуются высокими координационными числами.

В отличие от ковалентных и ионных соединений в металлах небольшое

число электронов одновременно связывает большое число ядерных цент­ров, а сами электроны могут перемещаться в металле. Иначе говоря, в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь. Упро­щенно металл можно рассматривать как плотно упакованную структуру из катионов, связанных друг с другом коллективизированными электронами (электронным газом).

Пример I. Объясните механизм образования молекулы используя метод BC.

Решение: Электронная конфигурация атома кремния IS ² 2S² 2p⁶ 3S² 3p² электронное строение его валентных орбиталей в невозбужден­ном состоянии может быть представлено следующей графической схемой:

3p 3d

3

3s

При возбуждении атом кремния переходит в состояние I ² 2 ² 2 p⁶ 3 ^I 3 p³, а электронное строение его валент­ных орбиталей соответствует схеме:

	3p

3d

3S

Четыре неспаренных электрона возбужденного атома кремния могут участвовать в образовании четырех ковалентных связей по обычному механизму с

с атомами фтора (IS ² 2S² 2p⁵) име­ющими по одному неспаренному электрону, с образованием молекулы Si F₄;

Пример 2. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа AB , если связь в них образуется за счет Sp-, Sp²-, Sp³- гибридизации орбиталей атома A?

Решение: Теория валентных связей предполагает участие в образовании ковалентных связей не только "чистых" AO, но и "смешанных", так называемых гибридных, AO. При гибридизации первоначаль­ная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей ( q ) равно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в табл.З.

Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул

Таблица 3

Тип молекулы

Исходные орбитали атома А

Тип гибридизации

Число гибридных орбиталей (q) атома А

Пространст­венная кон­фигурация молекулы

AB2		S + P		SР		2		линейная
AB3		S + P + P		SP^2		3		треугольная
AB4		S + P + P + P		SP^3		4		тетраэдрическая

Пример 3. Объясните с позиций метода MO возможность существования иона He⁺₂ и невозможность существования молекулы He₂.

Решение: B молекулярном ионе He⁺₂ имеются три электрона. Энергетичес­кая схема образования этого иона с учетом принципа Паули представлена ниже:

Возрастание

энергии

AO MO AO

He He⁺₂ He⁺