Номер 118, страница 268 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.118. Составьте структурную формулу иона, содержащего один атом бора и четыре атома фтора. Определите заряд иона, укажите валентности элементов. Предскажите геометрическую форму иона и найдите угол между связями в нём.

Дано:

Ион, состоящий из одного атома бора (B) и четырех атомов фтора (F).

Найти:

1. Структурную формулу иона.

2. Заряд иона.

3. Валентности элементов.

4. Геометрическую форму иона.

5. Угол между связями.

Решение:

Структурная формула и заряд иона

Атом бора (B) расположен в 13-й группе периодической системы и имеет 3 валентных электрона на внешнем энергетическом уровне (электронная конфигурация $2s^22p^1$). Атом фтора (F) — в 17-й группе, имеет 7 валентных электронов ($2s^22p^5$).

В своей типичной молекуле, фториде бора ($BF_3$), атом бора образует три ковалентные связи, но его электронная оболочка остается незавершенной (6 электронов вместо 8), и у него есть одна вакантная $p$-орбиталь.

Для образования иона с четырьмя атомами фтора молекула $BF_3$ (которая является кислотой Льюиса) взаимодействует с ионом фтора $F^-$ (основание Льюиса). Ион фтора предоставляет свою неподеленную электронную пару для образования четвертой ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. $$ BF_3 + F^- \rightarrow [BF_4]^- $$ В результате образуется комплексный тетрафтороборат-ион.

Заряд иона равен алгебраической сумме зарядов исходных частиц. Молекула $BF_3$ электронейтральна (заряд 0), а фторид-ион $F^-$ имеет заряд -1. Следовательно, заряд образовавшегося иона $[BF_4]^-$ равен $0 + (-1) = -1$.

Структурная формула иона, показывающая порядок соединения атомов: $$ \left[ \begin{matrix} & F & \\ & | & \\ F & -B- & F \\ & | & \\ & F & \end{matrix} \right]^- $$

Ответ: Структурная формула иона — $[BF_4]^-$. Заряд иона равен -1.

Валентности элементов

Валентность элемента в соединении определяется числом химических связей, которые образует его атом. В ионе $[BF_4]^-$ центральный атом бора образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами фтора. Хотя одна из связей образована по донорно-акцепторному механизму, в итоговой структуре все четыре связи B-F являются равноценными. Таким образом, валентность бора равна IV. Каждый атом фтора образует одну ковалентную связь с атомом бора, следовательно, валентность фтора равна I.

Ответ: Валентность бора (B) — IV, валентность фтора (F) — I.

Геометрическая форма иона и угол между связями

Геометрическую форму иона предсказываем с помощью теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

В ионе $[BF_4]^-$ центральный атом бора образует 4 сигма-связи с атомами фтора. Неподеленных электронных пар на валентной оболочке бора нет. Общее число электронных пар (стерическое число) вокруг центрального атома равно 4 ($4$ связывающие + $0$ неподеленных).

Согласно теории VSEPR, для минимизации взаимного отталкивания четыре электронные пары располагаются в пространстве, направляясь к вершинам тетраэдра. Это соответствует $sp^3$-гибридизации атомных орбиталей бора. Таким образом, ион имеет тетраэдрическую форму.

Поскольку все четыре атома, связанные с центральным (лиганды), одинаковы (это атомы фтора), и на центральном атоме нет неподеленных электронных пар, тетраэдр является правильным (симметричным). Угол между любыми двумя связями B-F в таком тетраэдре является стандартным и составляет $109.5^\circ$ (или, точнее, $109^\circ28'$).

Ответ: Геометрическая форма иона $[BF_4]^-$ — тетраэдрическая. Угол между связями F-B-F составляет $109.5^\circ$.