Пример 4. Какие химические связи имеются в ионах [NH4]+, [BF4]-?

Какие химические связи имеются в ионах [NH₄]⁺, [BF₄]^-?

Решение.

Напишем валентные электроны взаимодействующих атомов:

N 2s² 2p³,

B 2s² 2p¹,

F 2s² 2p⁵,

H 1s¹.

При образовании молекулы аммиака (см. пример 3.1) атом азота не исчерпал все валентные возможности, так как у него осталась свободной одна пара электронов. При взаимодействии с ионом водорода H⁺, имеющего незанятую 1s-орбиталь, образуется ещё одна ковалентная связь:

NH₃ + H⁺ [NH₄]⁺.

Такая ковалентная связь, когда атом-комплексообразователь (азот) предоставляет для образования связи пару электронов, а атом-лиганд - (водород) свободную орбиталь, называется дативной.

Для образования молекулы BF₃ атом бора переходит в возбужденное состояние с тремя неспаренными электронами:

B 2s² 2p¹ B^* 2s¹ 2p².

Три образующихся гибридных облака (sp²-гибридизация) перекрываются с тремя p-облаками трех атомов фтора и получается молекула BF₃. Но у атома бора остается свободная орбиталь, а у иона фтора имеются свободные электронные пары (F⁰ + 1 = F^-) Поэтому в ионе [BF₄]^- четвертая ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму:

BF₃ + F^- [BF₄]^-.

Атом бора - комплексообразователь дает для связи пустую орбиталь (акцептор), а ион фтора - лиганд, дает пару электронов (донор).

Итак, в ионах [NH₄]⁺ и [BF₄]^- четыре ковалентные связи образованы разными способами:

а) одноэлектронный 1:1,

б) дативный 2:0,

в) донорно-акцепторный 0:2.

Первая цифра указывает число электронов комплексообразователя, вторая - лиганда.

Все четыре связи в катионе аммония и в тетрафторборат анионе одинаковы по энергии, длине и другим параметрам, т. е. это не новый тип связи, а разные механизмы образования одной ковалентной связи.

Задания

61. Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?

62. Какая ковалентная связь называется s-связью? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Составьте электронные схемы строения молекул N₂, H₂O, HJ. Какие из них являются диполями?

63. Какой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах [Cu(NH₃)₄]²⁺ и SbF₄^–? Укажите донор и акцептор.

64. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы BeCl₂ и тетраэдрическое – СН₄?

65. Какая ковалентная связь называется s-связью и какая p-связью? Приведите атомно-орбитальную схему образования тройной связи в молекуле N_2.

66. Сколько неспаренных электронов в нормальном и возбужденном состояниях атома хлора? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равны валентности атома хлора, обусловленная неспаренными электронами?

67. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеет атом серы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна переменная валентность атома серы, обусловленная неспаренными электронами?

68. Что называется электрическим моментом диполя? Какая из молекул HCl, HBr, HJ имеет наибольший момент диполя? Почему?

69. Какие кристаллические структуры называются ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ: алмаз, хлорид натрия, диоксид, углерода, цинк – имеют указанные структуры?

70. Приведите структурные формулы строения молекул Сl₂, H₂S, ССl₄, H₂O. В каких молекулах ковалентная связь является полярной? Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекул H₂S и H₂O (валентные углы равны 92^о и 104^о соответственно)?

71. Чем отличается структура кристаллов NаСl от структуры кристаллов натрия? Какой вид связи осуществляется в этих кристаллах? Какие кристаллические решетки имеют натрий и NaCl? Чему равно координационное число натрия в этих решетках?

72. Какая химическая связь называется водородной? Между молекулами, каких веществ, она образуется? Почему Н₂O и НF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

73. Какая химическая связь называется ионной? Механизм ее образования. Какие свойства ионной связи отличают её от ковалентной? Приведите два примера растворов ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

74. Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов в соединениях СН₄, СН₃ОН, НСООН, СО₂.

75. Какие силы молекулярного взаимодействия называются ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают и какова природа этих сил?

76. Какая химическая связь называется координационной или донорно-акцепторной? Разберите строение комплексного иона [Zn(NH₃)₄]²⁺. Укажите донор и акцептор. Как метод валентных связей (ВС) объясняет тетраэдрическое строение этого иона?

77. Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей (ВС) объясняет симметричную треугольную форму молекулы BF₃?

78. Как метод молекулярных орбиталей объясняет парамагнитные свойства молекулы кислорода? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы O₂ по методу молекулярных орбиталей (МО).

79. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы F₂ по методу МО. Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях, определите порядок связи и молекуле F₂

80. Как метод молекулярных орбиталей объясняет большую энергию диссоциации молекулы азота? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы N₂ по методу МО, определите порядок связи. Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях?

Энергетика химических процессов
(термохимические расчеты)