Химическая связь и строение молекул

Пример 1. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами (спинвалентность), может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном () состояниях?

Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровня фосфора . . .3s² 3p³ (учитывая правило Хунда, 3s² 3p_x 3p_y 3p_z) по квантовым ячейкам имеет вид

  

₁₅P  3p

3s

Атомы фосфора имеют свободные d -орбитали, поэтому возможен переход одного 3s -электрона в 3d-состояние:

 ^{   }

   3d

₁₅P^*  3p

3s

Отсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянии равна трем, а в возбужденном - пяти.

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

Решение. Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только “чистых” АО, но и “смешанных”, так называемых гибридных, АО. При гибридизации первоначальная форма и энергии орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей равно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в табл. 2.

Пример 3. Как метод ВС описывает образование химических связей между атомами углерода и водорода в молекуле метана? Решение. Атом углерода в невозбужденном и возбужденном состояниях:    sp³

₆С 1S² 2S² 2p² ₆С^*  2p H 

2s 1s

В образовании связей в атоме участвуют электроны второго энергетического уровня: один s -электрон и три р-электрона, которые занимают четыре равноценных гибридных орбитали (sp³ -гибридизация), располагающиеся под углом 109º. Молекула СН₄ - тетраэдр.

Таблица 2

Гибридизация орбиталей и пространственная

конфигурация молекул

Тип молекулы	Исходные орбитали атома А	Тип гибридиза- ции	Число гибридных орбиталей атома А	Простанствен- ная конфигура- ция молекулы
АВ2 АВ3 АВ4 АВ5 АВ6	s+p s+p+p s+p+p+p s+p+p+p+d s+p+p+p+d+d	sp sp2 sp3 sp3d sp3d2	2 3 4 5 6	Линейная Треугольная Тетраэдрическая Бипирамида Октаэдр

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

21. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 28. Покажите распределение электронов этого атома по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится этот элемент?

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?

22. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 26. Покажите распределение электронов этого атома по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится этот элемент?

б) Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательности атомов соответствующих элементов, определите, какая из связей: HI, ICl, BrF - наиболее полярна.

23. а) Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p-, d-, f- орбитали данного энергетического уровня? Почему?

б) Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионе BF₄^- ? Укажите донор и акцептор.

24. а) Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этих атомов?

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы BeCl₂?

25. а) Какие орбитали атомов заполняются электронами раньше:

4s или 3d; 5s или 4р? Почему?

б) Какую ковалентную связь называют - связью и какую -связью? Разберите на примере молекулы азота.

26. а) Напишите электронные формулы ионов S^2- и Ca²⁺.

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет тетраэдрическое строение молекулы ССl₄?

27. а) Какие орбитали атома заполняются раньше: 4d или 5s; 6s или 5р? Почему?

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет треугольное строение молекулы ВF₃?

28. а) Сколько атомных орбиталей содержит третий энергетический уровень?

б) Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул HСl, HBr, HI имеет наибольший момент диполя?

29. а) Пользуясь правилом Хунда, расположите электроны по орбиталям для атома железа.

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет пирамидальное строение молекулы NF₃?

30. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 40. Сколько свободных d-орбиталей у атома этого элемента?

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы H₂S?

31. а) Напишите электронные формулы ионов F^- и Ми²⁺.

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет тетраэдрическое строение молекулы SiF₄?

32. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 15. Чему равен максимальный спин р-электронов у атома этого элемента?

б) Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему H₂O и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

33. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 23. Сколько свободных d-орбиталей в атоме этого элемента?

б) Каков тип гибридизации электронных облаков в молекуле AlF₃? Какую пространственную конфигурацию имеет эта молекула?

34. а) Какие элементы в периодической системе называются s-, p-, d- и f-элементами? Приведите примеры.

б) Какой тип гибридизации электронных облаков в молекуле PF₅? Какую пространственную конфигурацию имеет эта молекула?

35. а) Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается . . .5s² 5p⁵; . . .4d⁵ 5s². Определите номера этих элементов.

б) Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными, индукционными и дисперсионными?

36. а) Среди приведенных ниже электронных конфигураций укажите невозможные и объясните причину невозможности их реализации:

1p³, 3p⁶, 3s², 2s³, 3d⁵, 2d³, 3f¹², 2p⁴.

б) Какой тип гибридизации атомных орбиталей серы осуществляется при образовании молекулы SF₆? Какую пространственную конфигурацию имеет эта молекула?

37. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 24, учитывая, что происходит “провал” одного 4s- электрона на 3d-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атома этого элемента?

б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет пирамидальное строение молекулы РН₃?

38. а) Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторого элемента имеют следующие значения: n = 4, l = 0, m = 0, m_s = 1/2. Напишите электронную формулу атома этого элемента.

б) Как метод валентных связей объясняет пирамидальное строение молекулы PF₃?

39. а) В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома p⁷ или d¹² - электронов? Почему?

б) Как метод валентных связей объясняет пирамидальное строение молекулы NH₃?

40. а) Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 42, учитывая, что происходит “провал” одного 5s - электрона на 4d- подуровень. К какому электронному семейству относится этот элемент?

б) Как метод валентных связей объясняет тетраэдрическое строение молекулы SiH₄?

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

К важнейшим величинам, характеризующим химические системы, относятся энтальпия H, энтропия S и энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал) G. Все эти величины являются функциями состояния, т.е. зависят только от начального и конечного состояний системы, но не зависят от пути реакции.