Глава 3. Химическая связь

§ 3.1. Задачи с решениями

Задача 36. Сколько электронов и протонов содержат следующие молекулы и ионы: а) AlH₄^–; б) NF₃?

Решение. а) Число протонов в атоме элемента равно порядковому номеру элемента, поэтому атом алюминия содержит 13 протонов, атом водорода — один протон. Всего в ионе AlH₄^– содержится 17 протонов. Заряд иона равен –1, поэтому число электронов на единицу превышает число протонов и равно 18.

б) Атом азота содержит 7 протонов, атом фтора — 9 протонов. Всего в молекуле NF₃ содержится 7+39=34 протона. Заряд молекулы равен 0, поэтому число электронов равно числу протонов.

Ответ. а) 17 протонов, 18 электронов; б) 34 протона, 34 электрона.

Задача 37. Дайте определение валентности и степени окисления. Приведите структурные формулы 3-аминобензойной кислоты и гидроксобромида магния. Укажите валентности и степени окисления всех элементов.

Решение. Валентность и степень окисления — суть разные понятия, характеризующие способность элементов образовывать химические соединения.

Валентность — это число связей атома данного элемента с атомами других элементов в данном химическом соединении. Валентность всегда имеет положительное целочисленное значение.

Степень окисления — это формальный заряд, которым обладает атом в данном химическом соединении при условии, что все связи имеют ионный характер. Именно последнее требование обусловливает формальность этого понятия. Степень окисления может быть как положительной, так и отрицательной величиной, как дробной, так и целочисленной.

Структурные формулы показывают последовательность соединения атомов в молекуле с соблюдением валентности элементов.

1) 3-Аминобензойная кислота.

Все связи в молекуле 3-аминобензойной кислоты – ковалентные полярные, кроме связей CC в бензольном кольце, которые являются ковалентными неполярными:

Валентности элементов равны: C – IV, O – II, H – I, N – III. Степени окисления: H⁺¹, O^–2, N^–3. Степени окисления атомов углерода различны. Атомы C в бензольном кольце при связях CH имеют степень окисления –1 (т.к. углерод – более электроотрицательный элемент, чем водород), атом C при связи CN имеет степень окисления +1 (азот более электроотрицателен, чем углерод), атом C при связи CC — степень окисления 0 (связь между одинаковыми атомами). Наконец, атом C в группе COOH связан тремя связями с более электроотрицательными атомами O и имеет степень окисления +3.

2. Гидроксобромид магния Br–Mg–O–H

Элемент	Степень окисления	Валентность
Br	–1	1
Mg	+2	2
O	–2	2
H	+1	1

Задача 38. Каковы валентность и степень окисления азота: а) в азотной кислоте; б) в хлориде аммония?

Решение. а) Структурную формулу азотной кислоты иногда изображают с пятивалентным азотом следующим образом:

В действительности, пятивалентный азот не существует, поскольку для этого атом азота должен иметь пять неспаренных электронов. Распаривание 2s-электронов азота требует очень большой затраты энергии и практически не происходит. Атом азота в азотной кислоте имеет валентность IV. Три ковалентные связи NO образованы за счет неспаренных электронов, и одна — за счет неподеленной пары электронов азота. Структурную формулу азотной кислоты можно писать так:

где стрелочка обозначает донорно-акцепторную связь.

Степень окисления водорода равна +1, кислорода –2, а сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0, поэтому на долю атома азота приходится условный заряд +5.

б) Валентность азота в ионе NH₄⁺ равна IV. Три ковалентные связи NH образованы за счет неспаренных электронов азота, и одна — за счет неподеленной пары электронов.

Степень окисления водорода равна +1, а сумма степеней окисления атомов в ионе равна заряду иона (–1), поэтому на долю атома азота приходится условный заряд –3.

Ответ. а) Валентность IV, степень окисления +5. б) Валентность IV, степень окисления –3.

Задача 39. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: K₂MnO₄; Ba(ClO₃)₂; F₂O; Ca(NO₂)₂; H₂SiF₆; H₂O₂; Cr₂(SO₄)₃.

Решение. Используем следующие правила определения степеней окисления: 1) сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0; 2) степень окисления H равна +1 в соединениях с неметаллами; 3) степень окисления O равна –2, кроме соединений со фтором и перекисных соединений; 4) степень окисления F равна –1; 5) степень окисления металла равна заряду иона металла. Используя эти правила, находим:

1) K₂MnO₄: K⁺¹, Mn⁺⁶, O^–2; 2) Ba(ClO₃)₂: Ba⁺², Cl⁺⁵, O^–2; 3) F₂O: F^–1, O⁺²; 4) Ca(NO₂)₂: Ca⁺², N⁺³, O^–2; 5) H₂SiF₆: H⁺¹, Si⁺⁴, F^–1; 6) H₂O₂: H⁺¹, O^–1; 7) Cr₂(SO₄)₃: Cr⁺³, S⁺⁶, O^–2.

Задача 40. Опишите пространственную структуру следующих молекул: BF₃, ZnCl₂, NH₃.

Решение. Фторид бора BF₃. Пространственная структура этой молекулы определяется тем, что при образовании связей B–F происходит гибридизация одной s- и двух p-орбиталей атома B (sp²-гибридизация), при этом образуются три одинаковые sp²-гибридные орбитали, расположенные под углом 120 друг к другу. Таким образом, BF₃ — плоская молекула с углом 120 между связями.

Хлорид цинка ZnCl₂. При образовании молекул типа ZnX₂, BeX₂ (X — галоген или водород) происходит sp-гибридизация орбиталей центрального атома, и возникают химические связи, направленные под углом 180 друг к другу. Молекулы данного типа линейны.

Аммиак NH₃. При образовании связей N–H происходит гибридизация одной s- и трех p-орбиталей атома азота; три sp³-гибридные орбитали участвуют в образовании трех связей N–H, а четвертая орбиталь занята неподеленной электронной парой. Молекула имеет форму треугольной пирамиды с атомом азота в вершине. Величина угла между связями N–H несколько отличается от характерного для sp³-гибридизации значения 10928' — она равна 107.

Разобранные примеры показывают, что гибридизация электронных орбиталей характерна не только для соединений углерода, но и для соединений любых элементов, когда химическая связь образуется электронами, принадлежащими к разным, но близким по энергии орбиталям.. Заметим, однако, что структуры молекул типа NH₃ и H₂O могут быть объяснены и без привлечения модели гибридизации орбиталей.

Задача 41. Для определения структуры молекул в газовой фазе иногда используют метод электронографии, который позволяет найти межъядерные расстояния в молекуле по интенсивности упругого рассеяния электронов. По данным одного из экспериментов межъядерные расстояния в молекуле NCl₃ оказались равны: r(NCl) = 0,176 нм, r(ClCl) = 0,283 нм. Установите, какую геометрическую фигуру образуют ядра атомов в этой молекуле. Какой тип гибридизации центрального атома позволяет описать данное строение молекулы?

Решение. Все три связи N–Cl в молекуле NCl₃ одинаковы. Молекула может иметь форму правильного треугольника, если атом азота находится в плоскости, образованной тремя атомами хлора:

Если атом азота лежит вне этой плоскости, то молекула имеет форму треугольной пирамиды:

В первом случае угол между связями равен Cl‑N‑Cl = 120, во втором случае ClNCl  120.

Для нахождения этого угла рассмотрим равнобедренный треугольник ClNCl.

По теореме косинусов

r(ClCl)² = r(NCl)² + r(NCl)² – 2r(NCl)² cosCl‑N‑Cl,

откуда cosCl‑N‑Cl = 1 – 0,283² / (20,176²) = –0,293, Cl‑N‑Cl = 107. Это означает, что молекула представляет собой треугольную пирамиду. Центральный атом азота находится в состоянии sp³-гибридизации.

Ответ. Треугольная пирамида. sp³-гибридизация.

Задача 42. Рассчитайте объем и радиус атома хрома, исходя из предположения, что атомы имеют форму шара, а объем шаров составляет 68% от общего объема. Плотность хрома равна 7,19 г/см³.

Решение. Исходя из определения плотности вещества ( = m / V, где m — масса вещества, V —объем, занимаемый веществом), можно рассчитать объем одного моля хрома (“молярный объем”) V_M:

V_M = см³

По условию 6,0210²³ атомов хрома занимают объем, равный 7,2320,68 = 4,918 см³, следовательно, объем одного атома хрома составит

v = 4,918 см³ / 6,0210²³ = 8,1710^–24 см³ = 8,17 ų.

Радиус атома хрома (R) рассчитывается по формуле

v =

Отсюда R(Cr) = = 1,25 Å.

Ответ. v(Cr) = 8,17 ų; R(Cr) = 1,25 Å.

Задача 43. Как изменяется прочность связи H–Э в ряду H₂O–H₂S–H₂Se–H₂Te?

Решение. В указанном ряду размеры валентных электронных облаков элементов (O, S, Se, Te) возрастают, что приводит к уменьшению степени их перекрывания с электронным облаком атома водорода и к возрастающему удалению области перекрывания от ядра атома соответствующего элемента. Это вызывает ослабление притяжения ядер взаимодействующих атомов к области перекрывания электронных облаков, т.е. ослабление связи. К этому же результату приводит возрастающее экранирование ядер рассматриваемых элементов в ряду O–S–Se–Te вследствие увеличения числа промежуточных электронных слоев. Таким образом, при переходе от кислорода к теллуру прочность связи H–Э уменьшается.

Задача 44. Сероводород при обычной температуре — газ , а вода — жидкость. Чем можно объяснить это различие в свойствах?

Решение. Кислород — более электроотрицательный элемент, чем сера. Поэтому между молекулами воды возникают более прочные водородные связи, чем между молекулами сероводорода. Разрыв этих связей, необходимый для перехода воды в газообразное состояние, требует значительной затраты энергии, что и приводит к аномальному повышению температуры кипения воды.

Задача 45. Ниже приведены температуры кипения (в К) благородных газов:

He	Ne	Ar	Kr	Xe	Rn
4,2	27,1	87,3	120,9	166,0	211,4

Чем объясняется повышение температуры кипения с возрастанием порядкового номера благородного газа?

Решение. С ростом порядкового номера благородных газов увеличиваются размеры их атомов при сохранении аналогичной структуры внешнего электронного слоя атома. Поэтому поляризуемость атомов возрастает, вследствие чего возрастают и силы ван-дер-ваальсова взаимодействия между ними; отрыв атомов друг от друга, происходящий при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние, требует все большей затраты энергии. Это и приводит к повышению температуры кипения.

Задача 46. Дипольный момент молекулы HCl равен 3,510^–30 Клм (или 1,05 Дебая). Рассчитайте длину диполя молекулы хлороводорода.

Решение. Полярность связи количественно оценивается дипольным моментом , который является произведением длины диполя l — расстояния между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами +q и –q — на абсолютную величину заряда:  = lq.

Дипольные моменты молекул обычно выражают либо в Клм, либо в Дебаях.

Абсолютное значение заряда электрона q = 1,610^–19 Кл, поэтому длина диполя молекулы HCl составляет

l =  / q = = 2,1910^–11 м = 0,0219 нм.

Ответ: l = 0,0219 нм.