Номер 338, страница 227 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.338. Один из сложных силикатных ионов содержит восемь атомов кремния, расположенных в вершинах куба и соединённых друг с другом мостиковыми кислородами. Каждый атом кремния находится в тетраэдре, образованном двумя мостиковыми кислородами, одним концевым кислородом, соединённым с кремнием двойной связью и одним концевым кислородом, несущим отрицательный заряд. Изобразите строение этого аниона и запишите его формулу.

Решение

Для решения задачи последовательно определим химическую формулу иона на основе его состава, а затем опишем его пространственное строение в соответствии с условиями.

Запишите его формулу

Сначала определим количественный состав аниона. В условии указано, что он содержит 8 атомов кремния ($Si$). Каждый атом кремния находится в тетраэдрическом окружении, образованном четырьмя атомами кислорода разного типа:

• Два мостиковых атома кислорода ($O_b$), образующие связи $Si-O-Si$.
• Один концевой атом кислорода, соединенный с кремнием двойной связью ($O_d$).
• Один концевой атом кислорода, несущий отрицательный заряд ($O_s^-$).

Теперь рассчитаем общее число атомов каждого элемента и суммарный заряд иона.

1. Атомы кремния ($Si$): По условию их 8.

2. Мостиковые атомы кислорода ($O_b$): Каждый из 8 атомов кремния связан с двумя мостиковыми атомами кислорода. Поскольку каждый мостиковый кислород соединяет два атома кремния, общее число таких атомов в ионе составляет $N_{O_b} = \frac{8 \times 2}{2} = 8$.

3. Концевые атомы кислорода с двойной связью ($O_d$): К каждому из 8 атомов кремния присоединен один такой атом, следовательно, их общее число равно $8 \times 1 = 8$.

4. Концевые атомы кислорода с отрицательным зарядом ($O_s^-$): К каждому из 8 атомов кремния присоединен один такой атом, их общее число также равно $8 \times 1 = 8$.

5. Общее число атомов кислорода в ионе является суммой всех типов: $N_O = N_{O_b} + N_{O_d} + N_{O_s^-} = 8 + 8 + 8 = 24$.

6. Общий заряд иона определяется количеством отрицательно заряженных атомов $O_s^-$. Поскольку в ионе их 8, и каждый несет заряд -1, общий заряд иона составляет $8 \times (-1) = -8$.

Таким образом, химическая формула иона: $[Si_8O_{24}]^{8-}$.

Изобразите строение этого аниона

Строение данного аниона представляет собой сложную пространственную структуру.

• Каркас: Восемь атомов кремния расположены в вершинах куба. Условие, что каждый атом кремния соединен мостиковыми кислородами только с двумя другими атомами кремния, означает, что атомы $Si$ и мостиковые атомы $O_b$ образуют единый большой цикл состава $(-Si-O-)_8$.

• Конформация: Этот макроцикл уложен в пространстве таким образом, что 8 атомов кремния в точности совпадают с 8 вершинами куба. Это возможно, если 8 мостиковых атомов кислорода расположены на 8 из 12 ребер куба, которые образуют замкнутый путь, проходящий через каждую вершину ровно один раз (такой путь в теории графов называется гамильтоновым циклом).

• Координация кремния: Каждый атом кремния в вершине куба имеет тетраэдрическую координацию. Две валентности он расходует на образование связей с двумя соседними мостиковыми кислородами, лежащими на ребрах куба. Две другие валентности направлены от центра куба и используются для связи с концевыми атомами: одним дважды связанным кислородом ($=O$) и одним односвязанным, несущим отрицательный заряд ($-O^-$).

Таким образом, анион можно представить как куб, в вершинах которого находятся атомы кремния, а 8 из 12 ребер "заняты" мостиковыми атомами кислорода, образующими замкнутую цепь. Из каждой вершины этого куба наружу направлены два концевых атома кислорода ($=O$ и $-O^-$).

Ответ: Формула аниона: $[Si_8O_{24}]^{8-}$. Строение аниона представляет собой циклический каркас $(-Si-O-)_8$, в котором 8 атомов кремния расположены в вершинах куба. Каждый атом кремния тетраэдрически координирован двумя мостиковыми атомами кислорода, одним концевым атомом кислорода, связанным двойной связью ($=O$), и одним концевым атомом кислорода, несущим отрицательный заряд ($-O^-$).