II. Химическая связь и строение молекул. Межмолекулярные связи.

Агрегатные состояния вещества

Типовые задачи и их решение

1. Определить тип связи в следующих молекулах: KCl и AgCl. Oбъ-яснить механизм образования этих связей.

Решение.

1). Природа атомов элементов:

К – щелочной (активный) металл, s-семейство; Ag – металл, d-семейство;

Cl – неметалл, р-семейство.

2). Величина относительной электроотрицательности (ОЭО):

ОЭО (К) = 0,91, ОЭО (Ag) = 1,42, ОЭО (Сl) = 2,83. Определяем разницу ОЭО связи К – Сl: 2,83 – 0,91 = 1,92. Следовательно, связь – ионная.

Разница ОЭО связи Ag – Cl = 2,83 – 1,42 = 1,41. Следовательно, связь – ковалентная полярная.

Механизм образования ионной связи:

₁₉К 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

К^о − е = K⁺

₁₉К⁺ 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s^о,

следовательно, у иона калия формируется устойчивая электронная оболочка, подобная атому инертного газа аргона [Ar].

₁₇Сl 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Cl^о + e = Cl^–

₁₇Cl^– 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶,

следовательно, у иона хлора также формируется устойчивая электронная оболочка, подобная атому инертного газа аргона [Ar].

Механизм ионной связи – перераспределение валентных электронов. Свойства – ненасыщаемость и ненаправленность. Вещество имеет кристаллическую решетку ионного типа:

Механизм образования ковалентной связи.

₄₇Ag 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹ 4d¹⁰ .

Атом серебра имеет «провал» электрона с 5s- на 4d-подуровень.

₁₇Сl 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

Валентный (неспаренный) электрон находится на p-подуровне:

₁₇Сl KL 3 s p

­¯

­¯

­¯

­

Ковалентная связь образуется посредством обобществления неспаренных электронов, принадлежащих разным атомам, в общую электронную пару, которая смещена к хлору, т.к. ОЭО_Сl больше ОЭО_Ag:

Ag ^δ+ Cl ^δ– ,

где – неспаренный электрон атома серебра; – электроны атома хлора.

Свойства ковалентной связи – насыщаемость и направленность.

2. Определить тип связи в молекуле AlBr₃. Объяснить механизм образования связи и ее свойства. Какой тип гибридизации предшествует образованию молекулы AlBr₃?

Решение.

1). Природа атомов элементов:

Al – металл, p-семейство; Br – неметалл, р-семейство.

2). Величина относительной электроотрицательности (ОЭО):

ОЭО (Al) = 1,47, ОЭО (Br) = 2,74. Определяем разницу ОЭО связи Al – Br: ∆ОЭО = 2,74 – 1,47 = 1,27.

Следовательно, связь – ковалентная полярная; общие электронные пары смещены к более электроотрицательному элементу – брому. На атоме алюминия возникает эффективный положительный (δ+), а на атомах брома –эффективные отрицательные (δ−) заряды.

₁₃Al 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹

KL 3 s p

­¯

­

₁₃Al* KL 3 s p

­

­

­

тип гибридизации sp²:

₃₅Br 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵

Электронная схема:

₃₅Br KLM 4 s p

­¯

­¯

­¯

­

Механизм образования: обобществление валентных (неспаренных) электронов в общие электронные пары:

Br ^δ–

Br ^δ– Al ^3δ+ Br ^δ–

Свойства:

1). Насыщаемость (ковалентность) равна 3, так как образовались три общие пары электронов;

2). Направленность определяет форму молекулы:

форма - треугольная.

3. Определить тип связи в молекуле SbH₃ и ее форму. Какая связь возникает между молекулами NH₃ ? Почему эта связь не возникает между молекулами SbH₃ ?

Решение.

1). Природа атомов элементов: Sb – неметалл, p-семейство; Н – неметалл, s-семейство; N – неметалл, р-семейство.

2). Величина относительной электроотрицательности (ОЭО):

ОЭО (Sb) = 1,82, ОЭО (H) = 2,1, ОЭО (N) = 3,07. Определяем ΔОЭО связи Sb – H: 2,1 – 1,82 = 0,28.

Следовательно, связь – ковалентная неполярная.

ΔОЭО связи N – H = 3,07 – 2,1 = 0,97.

Cледовательно, связь – ковалентная полярная.

₅₁Sb 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p³

Электронная схема:

₅₁Sb KLMN 5 s p

­¯

­

­

­

Форма молекулы:

пирамидальная.

Между молекулами NH₃ возникает водородная связь:

H H

H – N ^3δ– . . . H ^δ+ – N

| |

H H

Водородная связь возникает между протоном Н⁺ одной молекулы и сильно электроотрицательным элементом N другой молекулы.

Поскольку в молекуле SbH₃ имеется ковалентная неполярная связь, и молекула не является диполем, то между молекулами SbH₃ не возникает водородная связь.

4. Определить тип связи в соединении V₂O₅ и металлическом ванадии. Сравнить строение этих соединений.

Решение.

1). Природа атомов элементов:

V – металл, d-семейство; O – неметалл, p-семейство.

2). Величина относительной электроотрицательности (ОЭО):

ОЭО (V) = 1,45; ОЭО (O) = 3,5; определяем ΔОЭО связи V – O: 3,5 – 1,45 = = 2,05.

Следовательно, связь – ионная.

Соединение V₂O₅ имеет кристаллическую решетку ионного типа.

В металлическом ванадии – связь металлическая.

Ионный кристалл Кристалл металла

В ионном кристалле в узлах находятся положительные и отрица-тельные ионы, чередующиеся друг с другом.

В кристалле металла в узлах находятся положительные ионы. В междоузлиях - свободные электроны.

5.Охарактеризовать силы взаимодействия при растворении в воде сероводорода H₂S и кислорода O₂.

Решение.

1). Природа атомов элементов:

H – неметалл, s-семейство; O – неметалл, p-семейство; S – неметалл, р-семейство.

2). Величина относительной электроотрицательности (ОЭО):

ОЭО (Н) = 2,1; ОЭО (O) = 3,5; ОЭО (S) = 2,6.

Определяем разницу относительной электроотрицательности:

ΔОЭО связи Н – O = 3,5 – 2,1 = 1,4; ΔОЭО связи Н – S = 2,6 – 2,1 = 0,5;

ΔОЭО связи О – O = 3,5 – 3,5 = 0.

Следовательно, в молекулах Н₂О и Н₂S связь – ковалентная полярная, а в молекуле О₂ – ковалентная неполярная.

При растворении в воде: между двумя полярными молекулами (Н₂О и Н₂S) возникает ориентационное, а между полярной (Н₂О) и неполярной (О₂) возникает индукционное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса).

6.Объяснить образование иона гидроксония [H₃O]⁺.

Решение.

[H₃O]⁺ → H₂O + H⁺

₁Н 1s¹

¯

₈O 1s² 2s² 2p⁴

₈O K 2 s p

­¯

­¯

­

­

₁H⁺ 1s⁰

Н - О : + □ Н⁺ → [ Н - О □ Н ]⁺

‌ ‌

Н Н

В ионе гидроксония все три связи – ковалентные: две связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды образованы по обычному ковалентному механизму, а связь между кислородом и ионом водорода образована по донорно-акцепторному механизму.

7.Вода имеет аномально высокую температуру кипения и низкую температуру замерзания. Объяснить: чем это вызвано?

Решение.

Н - О^2δ–. . . Н^δ+ – О^2δ–.. . . ^δ+Н – О (Н₂О)_n

‌ ‌ ‌

Н Н Н

ассоциация молекул воды

Между молекулами H₂O возникает водородная связь, образуются ассоциаты, что приводит к аномально высокой температуре кипения и низкой температуре замерзания.

Контрольные задачи

1. Определить тип связи и форму молекулы AsCl₃.

2. Определить тип связи в молекуле H₂Se. Объяснить механизм ее образования. Показать графически форму молекулы H₂Se .

3. Почему молекулы HF способны образовывать димеры и полимеры?

4. Определить тип связи в молекуле GaCl₃. Объяснить механизм ее образования и показать графически форму молекулы. Определить тип гибридизации.

5. Определить тип связи в молекуле BF₃. Объяснить механизм ее образования. Показать графически форму молекулы. Определить тип гибридизации.

6. Определить тип связи в соединении CsF. Объяснить механизм ее образования, свойства.

7. Определить тип связи в молекуле MnBr₂. Объяснить механизм ее образования. Показать графически форму молекулы. Определить тип гибридизации.

8. Определить тип связи в молекуле GeCl₄, тип гибридизации. Объяснить механизм ее образования и свойства. Показать графически форму молекулы.

9. Определить тип связи в молекуле HВr. Какой вид взаимодействия проявляется между молекулами HВr?

10. Определить тип связей в соединениях: FrCl и в металлическом Fr. Объяснить механизм образования этих связей. Показать соответствующие кристаллические решётки.

11. Объяснить механизм образования донорно-акцепторной связи на примере молекулы хлорида аммония NH₄Cl.

12. Определить тип связей в соединении FeF₂ и металлическом железе. Охарактеризовать связи между частицами в ионном и металлическом кристаллах.

13. Определить тип связи в молекуле SnCl₄, тип гибридизации. Объяснить механизм ее образования, свойства. Показать графически форму молекулы.

14. Одинаковую ли геометрическую форму имеют молекулы: BCl₃ и PCl₃? На основании разницы относительных электроотрицательностей сравнить полярность молекул. Дать качественную оценку частичного (эффективного) заряда (δ) и дипольного момента (μ) для данных молекул.

15. Определить тип связи в молекуле Cl₂. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему. Объяснить свойства этой связи: насыщаемость и направленность.

16. Определить тип связи в молекуле HCl. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему. Объяснить свойства этой связи: насыщаемость и направленность. Чем обусловлена полярность связи? Какой количественной величиной характеризуется полярность молекулы?

17. Определить тип связи в молекуле H₂S. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему. Объяснить свойства этой связи: насыщаемость и направленность. Чем обусловлена полярность связи? Что характеризует дипольный момент?

18. Определить тип связи в молекуле АsH₃. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему. Объяснить свойства этой связи: насыщаемость и направленность.

19. Определить тип связи в молекуле BeВr₂. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему с учетом того, что один из атомов претерпевает гибридизацию электронных облаков. Объяснить свойства этой связи.

20. Определить тип связи в молекуле BI₃. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему, с учетом того, что один из атомов претерпевает гибридизацию электронных облаков. Объяснить свойства этой связи.

21. Определить тип связи в молекуле SiH₄. Показать механизм ее образования, написав электронные формулу и схему, с учетом того, что один из атомов претерпевает гибридизацию электронных облаков. Объяснить свойства этой связи.

22. Какая ковалентная связь называется π-связью? Какой тип связи имеется в молекуле N₂? Объяснить механизм образования этой молекулы, написав электронные формулу и схему атома азота. Объяснить свойства данной связи. Какая связь возникает между молекулами азота?

23. Определить тип связи в молекулах: HI, НBr, НСl. Для молекулы, имеющей наибольший дипольный момент (пользоваться величиной относительной электроотрицательности), показать механизм образования связи, ее свойства, написав электронные формулы и схемы атомов, составляющих данную молекулу.

24. Какой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионе BF₄^¯ (ВF₃ + F^¯ )? Объяснить механизм их образования, написав электронные формулы и схемы атомов, составляющих этот ион. Учесть, что один из атомов претерпевает гибридизацию электронных облаков.

25. Имеется: фторид водорода HF и фторид натрия NaF. Определить тип связи в данных соединениях. Объяснить механизм образования соединения с ионной связью. Что отличает данные связи?

26. Какой тип связи имеется в кристалле натрия? Чем отличаются структуры кристаллов хлорида натрия - NaCl и металлического Na? Показать механизмы образования ионов в данных типах связи, написав электронные формулы их атомов и ионов.

27. Какие кристаллические структуры называются ионными, атомными, молекулярными, металлическими? Кристаллы каких веществ: алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода (твердый) – «сухой лед», магний, имеют указанные структуры? Объяснить механизм образования связи в ионном и металлическом кристаллах.

28. Указать типы химической связи в комплексном соединении Na[BF₄]. Чем отличаются механизмы образования обычной ковалентной связи от донорно-акцепторного? Пояснить, написав электронные формулы и схемы атомов элементов, составляющих данную молекулу.

29. Определить тип связи в молекулах NCl₃ и BCl₃. Чем определяется направленность связи? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов элементов, образующих данные молекулы. Определить формы молекул с учетом того, что один из атомов, образующих молекулу, претерпевает гибридизацию.

30. Какие типы связей имеются в димере фтористого водорода H₂F₂ и ионе гидроксония H₃O⁺? Объяснить механизмы образования этих связей.