Примеры решения задач. Пример 1. Объясните механизм образования ковалентной химической связи в молекуле HBr и оцените степень ее полярности

Пример 1. Объясните механизм образования ковалентной химической связи в молекуле HBr и оцените степень ее полярности.

Р е ш е н и е. 1) Для объяснения механизма образования ковалентной химической связи необходимо определить, какие электроны участвуют в образовании этой связи. Запишем электронные конфигурации атомов и электронные схемы строения их валентных уровней; изобразим форму АО, участвующих в образовании связи.

↑

 

Н 1s¹

Z = +1

Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰ 4s²4p⁵

Z = +35 4p

↑ ↓

↑ ↓

↓

4s

↑ ↓

Для образования ковалентной связи атомы водорода и брома предоставляют по одному неспаренному электрону с антипараллельными спинами: атом Н – электрон, находящийся на s – АО (форма АО – сфера), а атом Br – электрон с
p – АО (форма АО – гантель).

2) Покажем механизм образования ковалентной связи в молекуле HBr.

В молекуле HBr связь создается за счет перекрывания двух атомных орбиталей: s – АО и p – АО с образованием между ядрами атомов H и Br зоны повышенной электронной плотности:

H Br

3) Для определения степени полярности связи рассчитаем разность электроотрицательностей атомов, образующих молекулу: ЭО _Н = 2, 2; ЭО _Br = 2, 8; т.е. ЭО _{H − Br} = 0, 6, поэтому связь в молекуле HBr ковалентная полярная.

4) Определим вид химической связи в зависимости от способа перекрывания АО взаимодействующих атомов. В молекулах с одинарной химической связью (а именно таковой является молекула HBr) всегда образуется σ – связь как более прочная. В случае σ – связи область перекрывания АО расположена на линии, соединяющей ядра двух атомов.

Пример 2. Определите химические свойства, валентность и возможные степени окисления атома углерода в основном и возбужденном состояниях.

Р е ш е н и е. 1) Рассмотрим основное состояние атома углерода. Так как химические свойства атома определяются его электронным строением, составим электронную конфигурацию атома С и выделим строениевалентного уровня:

С Z = +6, 1s² 2s²2p²

2) Составим электронную схему валентного уровня и определим химические свойства атома С, его валентность и степень окисления.

↑

↑

↑ ↓

2s 2p

Валентность атома определяется числом неспаренных электронов валентного уровня. Из данной схемы видно, что атом углерода имеет два неспаренных валентных электрона, значит в основном состоянии валентность атома углерода равна двум (В=II), т.е. атом углерода может образовывать две химические связи. Вступая во взаимодействие с другими атомами, атом С стремится завершить свой внешний уровень. Поэтому он может отдать эти два неспаренных электрона, проявляя при этом восстановительные свойства и превращаясь в положительно заряженный ион со степенью окисления +2: С⁰ − 2 ē = С⁺²

2s²2p² 2s² (типа He)

Но атом углерода, как неметалл, может принимать недостающие до завершения внешнего уровня четыре электрона, проявляя окислительные свойства и превращаясь в отрицательно заряженный ион со степенью окисления – 4: С⁰ + 4 ē = С^-4

2s²2p² 2s²2p⁶ (типа Ne)

3) Рассмотрим возбужденное состояние атома углерода. Для возбуждения атома необходимо наличие свободной АО внутри валентного уровня и спаренных электронов. Из электронной схемы строения внешнего уровня атома углерода видно, что атом С имеет вакантную АО на 2p – подуровне, а из четырех валентных электронов два электрона (2s²) спарены. Следовательно, атом углерода может находиться в возбужденном состоянии. При возбуждении происходит распаривание 2s² - электронов и переход их с 2s - на 2p – подуровень:

 

↑

↑

↑

С⁰…2s²2p² → С* … 2s¹2p³

↑

↑

↑ ↓

↑

2s 2p 2s 2p

Основное состояние Возбужденное состояние

При возбуждении число неспаренных электронов увеличивается до четырех. Значит в возбужденном состоянии атом углерода проявляет валентность В=IV и образует четыре химические связи. В возбужденном состоянии атом С может только отдать на связь свои 4 ē, проявляя восстановительные свойства и превращаясь в положительно заряженный ион со степенью окисления +4:

С⁰ – 4 ē = С⁺⁴

2s²2p² 1s² (типа He)

Пример 3. Определите, какая связь C− N или C− B является более полярной. Укажите, к ядру какого атома происходит смещение общей электронной пары.

Р е ш е н и е. Для определения полярности связи необходимо найти разность электроотрицательностей атомов (∆ ЭО), образующих эти связи. Из табл.1 выписываем значения ЭО этих атомов и находим ∆ ЭО: ЭО_С = 2, 6; ЭО_N = 3, 0; ЭО_B = 2, 0;
∆ ЭО_{C− N} = 3, 0 – 2, 6 = 0, 4; ∆ ЭО_{C− B} = 2, 6 – 2, 0 = 0, 6.

Известно, что чем больше ∆ ЭО атомов, образующих связь, тем выше полярность связи. Поэтому более полярной является связь C–B. При образовании ковалентной связи общая электронная пара смещается к ядру атома с большей ЭО. В химической связи C− N общая электронная пара смещена к атому N, а в химической связи C− B –
к атому С.