МГТУ / Факультеты / Вечерне-заочный факультет / Учебные материалы /

Химия

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Каждый студент выполняет вариант контрольных заданий, обозначенный двумя последними цифрами номера студенческого билета (шифра).

Например: номер студенческого билета 86594, две последние цифры 94, им соответствует вариант контрольного задания 94.

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 …3s²3p³ (учитывая правило Хунда, 3s²3p_x3p_y3p_z) по квантовым ячейкам имеет вид

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

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 AB_n, если связь в них образуется за счет sp-, sp²-, sp³- гибридизации орбиталей атома A?

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 энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей равно числу исходных.

Пример 3. Как метод молекулярных орбиталей (МО) описывает строение двухатомных гомоядерных молекул элементов второго периода?

Решение

Метод валентных связей (ВС) не может объяснить целый ряд свойств и строение некоторых молекул (парамагнетизм молекулы О₂; большую прочность связей в молекулярных ионах F⁺₂ и O⁺₂ , чем, соответственно, в молекулах F₂ и O₂; наоборот, меньшую прочность связи в ионе N⁺₂, чем в молекуле N₂ ; существование молекулярного иона He⁺₂ и неустойчивость молекулы He₂ и т.п.). Более плодотворным оказался другой подход к объяснению ковалентной связи – метод молекулярных орбиталей (МО). В методе МО состояние молекулы описывается как совокупность электронных молекулярных орбиталей. При этом число молекулярных орбиталей равно сумме атомных орбиталей. Молекулярной орбитали, возникающей от сложения атомных орбиталей (АО), соответствует более низкая энергия, чем исходным орбиталям. Такая МО имеет повышенную электронную плотность в пространстве между ядрами, способствует образованию химической связи и называется связывающей. Молекулярной орбитали, образовавшейся от вычитания атомных, соответствует более высокая энергия, чем атомным орбиталям. Электронная плотность в этом случае сконцентрирована за ядрами атомов, а между ними равна нулю. Подобные МО энергетически менее выгодны, чем исходные АО, они приводят к ослаблению химической связи и называются разрыхляющими. Электроны, занимающие связывающие и разрыхляющие орбитали, называют соответственно связывающими (св) и разрыхляющими (разр) электронами. Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Хунда по мере увеличения их энергии в такой последовательности:

σ^св1s < σ^разр1s < σ^св2s < σ^разр2s < σ^св2p_x < π^св2p_y =
= π^св2p_z < π^разр2p_y = π^разр2p_z < σ^разр2p_x

На рисунке изображена энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из атомных для двухатомных гомоядерных (одного и того же элемента) молекул элементов второго периода. Число связывающих и разрыхляющих электронов зависит от их числа в атомах исходных элементов.

Рис.2 Энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из атомных для гомоядерных молекул второго периода

Следует отметить, что при образовании молекул B₂, C₂, и N₂ энергия связывающей σ2p_x-орбитали больше энергии связывающих π2p_y- и π2p_z-орбиталей, тогда как в молекулах O₂ и F₂, наоборот, энергия связывающих π2p_y- и π2p_z-орбиталей больше энергии связывающей σ2px-орбитали. Это нужно учитывать при изображении энергетических схем (рис.) соответствующих молекул.

Порядок связи в молекуле определяется разностью между числом связывающих и разрыхляющих орбиталей, деленной на два. Порядок связи может быть равен нулю (молекула не существует), целому или дробному положительному числу.

Подобно электронным формулам, показывающим распределение электронов в атоме по атомным орбиталям, в методе МО составляют формулы молекул, отражающие их электронную конфигурацию. По аналогии с атомными s-, p-, d-, f-орбиталями молекулярные орбитали обозначаются греческими буква-ми σ, π, δ, φ

Так, электронная конфигурация молекул О2 описывается следующим образом:
O₂[KK (σ_s^св)² (σ_s^разр)² (σp_x^св)² (πp_y^св)²(πp_z^св)²πp_y^разрπp_z^разр]

Буквами КК показано, что четыре 1 s-электрона (два связывающих и два разрыхляющих) практически не оказывают влияния на химическую связь.

Пример 4. Сера образует химические связи с калием, водородом, бромом и углеродом. Какие из связей наиболее и наименее полярны? Укажите, в сторону какого атома смещается общая электронная пара?

Решение

Используя значения относительных электроотрицательностей атомов (табл. 4), находим разность относительных электроотрицательностей серы и элемента, образующего с ней химическую связь:

а) сера – калий: 2,6 – 0,91=1,69, электронная пара смещена в сторону атома серы;

б) сера – водород: 2,6 – 2,1=0,5, электронная пара смещена в сторону атома серы;

в) сера – бром: 2,6 – 2,74=-0,14, электронная пара смещена в сторону атома брома;

г) сера – углерод: 2,6 – 2,5=0,1, электронная пара смещена в сторону атома серы.

Чем больше по абсолютной величине разность относительных электроотрицательностей, тем более полярна связь. В данном примере наиболее полярной является связь сера – калий, наименее полярной – связь сера – углерод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

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

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

96. Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH⁺₄ и BF^-₄? Укажите донор и акцептор.

97. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы BaCl₂ и тетраэдрическое CH₄?

98. Какую ковалентную связь называют σ-связью и какую π-связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

99. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

100. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная не спаренными электронами?

101. Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул HCl, HBr, HI имеет наибольший момент диполя? Почему?

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

103. Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекул H₂S и линейное молекулы СО₂?

104. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы He₂ и молекулярного иона He⁺² по методу молекулярных орбиталей. Как метод МО объясняет устойчивость иона He⁺² и невозможность существования молекулы He₂?

105. 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?

106. Какую химическую связь называют ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной? Приведите два примера типичных ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

107. Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов, в соединениях CH₄, CH₃OH, HCOOH, CO₂.

108. Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают эти силы, и какова их природа?

109. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулярного иона и молекулы Н₂ по методу молекулярных орбиталей. Где энергия связи больше? Почему?

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

111. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы О₂ по методу молекулярных орбиталей (МО). Как метод МО объясняет парамагнитные свойства молекулы кислорода?

112. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы F₂ по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

113. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы N₂ по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

114. Укажите тип химической связи в молекулах Н₂, Cl₂, HCl. Приведите схему перекрывания электронных облаков.

115. Пользуясь таблицей относительных электроотрицательностей, вычислите их разность для связей K – Cl, Ca – Cl, Fe –Cl, Ge –Cl. Какая из связей характеризуется наибольшей степенью ионности?

116. Какой характер имеют связи в молекулах NCl₃, CS₂, ICl₅, NF₃, OF₂, ClF, CO₂? Укажите для каждой из них направление смещения общей электронной пары.

117. Почему не могут существовать устойчивые молекулы Ве₂ и Nе₂?

118. Какие типы гибридизации АО углерода соответствуют образованию молекул СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆?

119. В молекулах SO2 и SO3 атом серы находится в состоянии sp2-гибридизации. Полярны ли эти молекулы? Какова их пространственная структура?

120. Какая из связей Са – Н, С – S, О –Cl является наиболее полярной? К какому из атомов смещено молекулярное электронное облако?

121. Как влияет увеличение кратности связи на ее энергию и длину?

122. Молекула хлорида бора BCl₃ имеет плоскую структуру, а хлорида азота NCl₃ – пирамидальную. Чем объясняется такое различие?

123. Какие гибридные облака атома углерода участвуют в образовании химической связи в молекулах CCl₄, CO₂?

Оглавление