logo
пособие по химии

Обучающие задачи

1. Определить геометрическую форму молекулы метана СН4.

Решение. Запишем электронные конфигурации валентных слоев атомов водорода и углерода, в скобках указывая количество неспаренных электронов: Н 1s1; С ...2s22p2 (2).

Ясно, что валентное состояние атома Н - его основное состояние с валентной конфигурацией 1s1. Атом углерода образует 4 связи с атомами водорода. Следовательно, в валентном состоянии он должен иметь 4 неспаренных электрона. Чтобы получить требуемое количество валентных электронов, удобно представить, что в результате поглощения энергии этим атомом один из 2s-электронов переходит на вакантную 2р-орбиталь, и атом углерода переходит в так называемое возбужденное состояние, которое и будет валентным: С*...2s12p3(4).

Валентные электроны у атома углерода неэквивалентны (один s- и три р-), но в целом электронное распределение в атоме С* представляет сферу. Чтобы описать 4 энергетически равноценные связи СН в молекуле СН4, делим сферическую электронную плотность, полученную сложением 2s- и трех 2р-орбиталей, на четыре равные части, направленные к вершинам тетраэдра (при таком расположении атомы водорода, связанные с углеродом, максимально удалены друг от друга).

Каждая из этих гибридных орбиталей состоит на 1/4 из s- и на 3/4 из р-орбиталей. Такую комбинацию называют гибридными sp3-орбиталями (1 часть s и 3 части р). Атом углерода называют тетрагонально гибридизованным, валентный угол между осями гибридных орбиталей - 109028':

2. Определить пространственное строение молекулы ВСl3.

Решение. Запишем электронные конфигурации валентного слоя атома бора в основном и в возбужденном состояниях, указывая в скобках количество неспаренных электронов: В ...2s22p1(1); В* ...2s12p2(3).

Возбужденное состояние, в котором атом бора имеет три неспаренных электрона, и будет валентным состоянием. Так как три связи ВСl в молекуле BСl3 энергетически эквивалентны, следует провести гибридизацию неэквивалентных валентных электронов атома В*.

Молекула BСl3 должна иметь плоское строение, т.к. максимально удалить друг от друга три группы (Сl), связанные с одним центром (В), можно, расположив их в вершинах треугольника. Из трех атомных орбиталей (например, 2s, 2px, 2py) можно скомбинировать три гибридные sp2-орбитали, направленные к вершинам треугольника, каждая из которых состоит на 1/3 из s-орбитали и на 2/3 из р-орбиталей. Кроме этого атом В имеет еще неизмененную вакантную 2pz-орбиталь, располагающуюся перпендикулярно гибридным.

Итак, атом В является тригонально гибридизованным, валентный угол между осями гибридных орбиталей - 1200, а молекула ВСl3 имеет плоское строение:

3. Определить пространственное строение молекулы ВеН2.

Решение. Запишем электронные конфигурации валентного слоя атома бериллия в основном и возбужденном состояниях, указывая в скобках количество неспаренных электронов: Ве ...2s22p0(0); Ве* ...2s12p1(2).

Валентным состоянием атома бериллия является возбужденное состояние, в котором он имеет два неспаренных электрона. Оптимальный способ расположения двух атомов водорода около атома Ве - вдоль линии (например, оси х). Тогда из орбиталей 2s и 2рх можно сконструировать две гибридные линейно расположенные sp-орбитали, при этом две другие (2ру и 2рz ) остаются вакантными и неизменёнными:

4. Определить пространственное строение молекулы NH3.

Решение. Запишем валентную конфигурацию атома азота: N ...2s22p3(3).

Три неспаренных электрона занимают одинаковые р-орбитали, а на 2s-орбитали находится неподеленная электронная пара. В соответствии с принципом взаимного отталкивания электронную пару следует рассматривать как пространственного конкурента трем электронам, идущим на образование трех -связей N-H. Оптимальный геометрический способ размещения 4 конкурентов вокруг единого центра - тетраэдр. Следовательно, атом азота является тетрагонально гибридизованным. Три из четырех sp3-орбиталей заняты валентными электронами, отвечающими за образование связей с атомами водорода, одна - неподеленной электронной парой:

Таким образом, молекула NH3 имеет геометрию искаженного тетраэдра (тригональной пирамиды). Валентные углы в этом случае равны 1070, так как пространственные конкуренты неэквивалентны.

5. Определить геометрию и кратность связи в молекуле СО2.

Решение. Валентная конфигурация атомов, участвующих в образовании связи: С* ...2s12p3(4); O ...2s22p2(2).

Принцип насыщаемости связи выполняется, если атом углерода рассматривать как центральный. Для двух -связей углерода с каждым из атомов кислорода требуется sp-гибридизация его атомных орбиталей (комбинация s+px), что определяет линейное строение молекулы. Каждый из атомов кислорода использует для этого один электрон, находящийся на sp2-гибридной орбитали (комбинации s+px+py для одного и s+px+pz для второго), две другие sp2-орбитали заняты неподеленными электронными парами. У атома углерода остается 2 электрона, у каждого концевого атома кислорода - по одному электрону на неизменённых 2р-орбиталях (С - ру, рz; O - pz; O - py). В результате соответствующего перекрывания р-орбиталей атом углерода образует по -связи с каждым из концевых атомов. Следовательно, кратность связи “углерод-кислород” равна двум.

6. Определить строение и кратность связей в ионе (атом азота является центральным).

Решение. Пробуем построить ион из комбинации одного атома азота, двух атомов кислорода и частицы О, для чего запишем соответствующие конфигурации валентных слоев: N ...2s22p3(3); 2O ...2s22p4(2 2); O ...2s22p5(1).

Однако принцип насыщаемости связи при этом не выполняется. Тогда увеличиваем число неспаренных электронов центрального атома переносом электрона с его 2s-орбитали на 2р-орбиталь одного из атомов кислорода: N+ ...2s12p3(4); O ...2s22p4(2); 2O ...2s22p5(1 2).

Для описания трех -связей N+ c концевыми частицами проводим sp2-гибридизацию его орбиталей и получаем тригонально плоскостное строение иона. Оставшиеся одиночные электроны N и атома О находятся на неизменёных 2р-орбиталях (см. задачу 5), в результате перекрывания которых возникает -компонента связи (а).

Поскольку при построении иона мы искусственно ввели неэквивалентность атомов кислорода, с равным успехом можно поменять местами заряд и кратную связь при каждом из них, получив в итоге три равноценные структуры типа (а), в результате усреднения которых возникает истинная структура иона (б), кратность связи NO в котором равна 4/3.

7. Определить, полярны или нет молекулы Н2, НF, CO2, NH3.

Решение. Первые две молекулы содержат только по одной связи, и, следовательно, их полярность определяется полярностью связи, оценить величину которой можно на основании значений ОЭО атомов.

Молекула Н2 образована атомами одного и того же элемента, следовательно, неполярна.

Молекула HF образована атомами, резко отличающимися по электроотрицательности (Н - 2,1; F - 4,1). Дипольный момент связи HF направлен от H к F (Н+ F-): молекула HF полярна.

Для ответа на вопрос о полярности двух последних молекул надо не только оценить полярность каждой связи, но и векторную сумму дипольных моментов всех связей. В СО2 связь СО полярна (ОЭО атома С - 2,5; О - 3,5), дипольный момент направлен от углерода к кислороду. Молекула имеет линейное строение: ОC2O. Складывая векторы, получаем: суммарный дипольный момент равен 0, молекула неполярна.

Связь NH в молекуле NH3 полярна (N - 3,1), ее дипольный момент направлен от атома водорода к атому азота. Молекула имеет, как было показано ранее, тетраэдрическую форму. Векторная сумма диполей трех связей NH отлична от нуля. Кроме того, полярность молекулы в целом резко усиливает дипольный момент локализованной неподеленной пары.