Номер 133, страница 269 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.133. Составьте электронные формулы (структуры Льюиса) следующих молекул и ионов: $\mathrm{а}) {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+};$ $\mathrm{б}) {\mathrm{O}}_3;$ $\mathrm{в}) {\mathrm{O}}_2^{2-};$ г) СО; $\mathrm{д}) {\mathrm{CO}}_3^{2-};$ $\mathrm{е}) {\mathrm{N}}_2\mathrm{O};$ $\mathrm{ж}) {\mathrm{NO}}_2;$ $\mathrm{з}) {\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4;$ $\mathrm{и}) {\mathrm{HNO}}_3;$ $\mathrm{к}) {\mathrm{NO}}_3^{-};$ $\mathrm{л}) {\mathrm{BF}}_3;$ $\mathrm{м}) {\mathrm{BF}}_4^{-};$ $\mathrm{н}) {\mathrm{РСl}}_5;$ $\mathrm{o}) \mathrm{Аl}{\left(\mathrm{OН}\right)}_4^{-};$ $\mathrm{n}) \mathrm{Fe}{\left(\mathrm{CO}\right)}_5;$ $\mathrm{р}) \mathrm{Fe}{\left(\mathrm{CN}\right)}_6^{3-}.$ Для каждой частицы определите валентности всех атомов и геометрическую форму, для молекул укажите полярность.

а) H₃O⁺ (ион гидроксония)

Электронная формула (структура Льюиса): В ионе гидроксония атом кислорода связан с тремя атомами водорода. Кислород имеет одну неподеленную электронную пару. Общее число валентных электронов: $3 \times 1(\text{H}) + 6(\text{O}) - 1(\text{заряд}) = 8$. Структура: $ \begin{bmatrix} \text{H} - \underset{\cdot\cdot}{\overset{\huge\text{H}}{\underset{|}{\text{O}}}} - \text{H} \end{bmatrix}^+ $

Валентность атомов: Кислород (O) проявляет валентность III, так как образует три ковалентные связи (две по обменному механизму, одну по донорно-акцепторному). Водород (H) одновалентен.

Геометрическая форма: Центральный атом кислорода имеет 3 связывающие электронные пары и 1 неподеленную. Согласно теории ОЭПВО (VSEPR), 4 электронные пары располагаются тетраэдрически. Форма иона (без учета неподеленной пары) – тригональная пирамидальная.

Ответ: Электронная формула: $ [ \text{H}-\ddot{\text{O}}(\text{H})-\text{H} ]^+ $; Валентности: O(III), H(I); Геометрия: тригональная пирамидальная.

б) O₃ (озон)

Электронная формула (структура Льюиса): Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Это резонансная структура. Общее число валентных электронов: $3 \times 6 = 18$. Структура является гибридом двух резонансных форм: $ :\ddot{\text{O}}=\overset{+}{\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}}-\ddot{\text{O}}:^{-} \longleftrightarrow :\ddot{\text{O}}:^{-}-\overset{+}{\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}}=\ddot{\text{O}}: $

Валентность атомов: В одной резонансной структуре центральный атом кислорода трехвалентен, один концевой атом двухвалентен, а другой одновалентен. Из-за резонанса обе связи O-O эквивалентны.

Геометрическая форма: Центральный атом кислорода имеет 2 σ-связи и 1 неподеленную электронную пару. Форма молекулы – угловая.

Полярность: Молекула асимметрична (угловая форма) и имеет дипольный момент из-за распределения формальных зарядов. Молекула полярная.

Ответ: Электронная формула – резонансный гибрид $ \text{O=O}^{+}-\text{O}^{-} \leftrightarrow \text{O}^{-}-\text{O}^{+}=\text{O} $; Валентности: центральный O(III), концевые O(II/I); Геометрия: угловая; Полярность: полярная.

в) O₂²⁻ (пероксид-ион)

Электронная формула (структура Льюиса): Ион состоит из двух атомов кислорода, соединенных одинарной связью. Общее число валентных электронов: $2 \times 6(\text{O}) + 2(\text{заряд}) = 14$. $ [: \ddot{\text{O}} - \ddot{\text{O}} :] ^{2-} $

Валентность атомов: Каждый атом кислорода (O) образует одну связь, следовательно, он одновалентен.

Геометрическая форма: Ион состоит из двух атомов, форма – линейная.

Ответ: Электронная формула: $ [: \ddot{\text{O}} - \ddot{\text{O}} :] ^{2-} $; Валентность: O(I); Геометрия: линейная.

г) CO (оксид углерода(II), угарный газ)

Электронная формула (структура Льюиса): Атомы углерода и кислорода связаны тройной связью. Общее число валентных электронов: $4(\text{C}) + 6(\text{O}) = 10$. $ : \text{C} \equiv \text{O} : $ Для удовлетворения правила октета на атомах появляются формальные заряды: $ : \text{C}^{(-)} \equiv \text{O}^{(+)} : $. Третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму от кислорода к углероду.

Валентность атомов: И углерод (C), и кислород (O) образуют по три связи, их валентность равна III.

Геометрическая форма: Молекула двухатомная, форма – линейная.

Полярность: Несмотря на разницу в электроотрицательности, из-за наличия тройной связи и распределения зарядов дипольный момент очень мал. Молекула слабо полярная.

Ответ: Электронная формула: $ : \text{C} \equiv \text{O} : $; Валентности: C(III), O(III); Геометрия: линейная; Полярность: слабо полярная.

д) CO₃²⁻ (карбонат-ион)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом углерода связан с тремя атомами кислорода. Связи делокализованы (резонанс). Общее число валентных электронов: $4(\text{C}) + 3 \times 6(\text{O}) + 2(\text{заряд}) = 24$. Структура является гибридом трех резонансных форм: $ \begin{bmatrix} \ \ \underset{\cdot\cdot}{\text{O}} \\ \ \ \parallel \\ \text{C} \\ / \ \ \setminus \\ :\ddot{\text{O}}:^- \ \ :\ddot{\text{O}}:^- \end{bmatrix}^{2-} $ (две другие формы с двойной связью у других атомов кислорода)

Валентность атомов: Углерод (C) четырехвалентен. Из-за резонанса все атомы кислорода эквивалентны, их валентность можно считать равной 4/3. В одной резонансной структуре один O двухвалентен, а два других одновалентны.

Геометрическая форма: Центральный атом углерода имеет 3 σ-связи и 0 неподеленных пар. Форма иона – тригональная плоская.

Ответ: Электронная формула – резонансный гибрид; Валентности: C(IV), O эквивалентны; Геометрия: тригональная плоская.

е) N₂O (оксид азота(I))

Электронная формула (структура Льюиса): Молекула имеет линейное строение N-N-O. Общее число валентных электронов: $2 \times 5(\text{N}) + 6(\text{O}) = 16$. Основной вклад вносят две резонансные структуры: $ :\text{N}\equiv\overset{+}{\text{N}}-\ddot{\text{O}}:^{-} \longleftrightarrow :\ddot{\text{N}}:^{-}=\overset{+}{\text{N}}=\ddot{\text{O}}: $

Валентность атомов: В основной структуре ($ \text{N}\equiv\text{N-O} $) концевой азот трехвалентен, центральный азот четырехвалентен, кислород одновалентен.

Геометрическая форма: Центральный атом азота не имеет неподеленных пар и образует две σ-связи. Форма молекулы – линейная.

Полярность: Молекула линейна, но несимметрична (атомы разные). Связи полярны, и их дипольные моменты не компенсируются. Молекула полярная.

Ответ: Электронная формула – резонансный гибрид; Валентности: N(III), N(IV), O(I); Геометрия: линейная; Полярность: полярная.

ж) NO₂ (диоксид азота)

Электронная формула (структура Льюиса): Молекула с нечетным числом электронов (радикал). Общее число валентных электронов: $5(\text{N}) + 2 \times 6(\text{O}) = 17$. Структура является резонансным гибридом: $ :\ddot{\text{O}}=\overset{+}{\underset{\cdot}{\text{N}}}-\ddot{\text{O}}:^{-} \longleftrightarrow :\ddot{\text{O}}:^{-}-\overset{+}{\underset{\cdot}{\text{N}}}=\ddot{\text{O}}: $

Валентность атомов: Азот (N) трехвалентен. Один кислород двухвалентен, другой одновалентен (в резонансной структуре).

Геометрическая форма: Центральный атом азота имеет 2 σ-связи и один неспаренный электрон. Форма молекулы – угловая.

Полярность: Молекула имеет угловую форму и полярные связи. Дипольные моменты не компенсируются. Молекула полярная.

Ответ: Электронная формула – радикал, резонансный гибрид; Валентности: N(III), O(II/I); Геометрия: угловая; Полярность: полярная.

з) N₂O₄ (тетраоксид диазота)

Электронная формула (структура Льюиса): Димер молекулы NO₂. Атомы азота связаны друг с другом. Общее число валентных электронов: $2 \times 5(\text{N}) + 4 \times 6(\text{O}) = 34$. Структура: $ \text{O}_{2}\text{N}-\text{NO}_{2} $. Каждый атом азота связан с двумя атомами кислорода (один через двойную связь, другой через одинарную с резонансом) и другим атомом азота. $ \begin{smallmatrix} :\ddot{\text{O}}: & & :\ddot{\text{O}}: \\ \ \ \ \parallel & & \parallel \\ \ \ \ :\ddot{\text{O}}:^{-}-\overset{+}{\text{N}} & - & \overset{+}{\text{N}}-\ddot{\text{O}}:^{-} \end{smallmatrix} $

Валентность атомов: Каждый атом азота (N) четырехвалентен. Атомы кислорода двухвалентны и одновалентны (в резонансной структуре).

Геометрическая форма: Вокруг каждого атома азота геометрия тригональная плоская. Вся молекула является плоской.

Полярность: Молекула симметрична относительно связи N-N. Дипольные моменты двух групп NO₂ взаимно компенсируются. Молекула неполярная.

Ответ: Электронная формула: $ (:\text{O}:^{-})(:\ddot{\text{O}}=)\overset{+}{\text{N}}-\overset{+}{\text{N}}(=\ddot{\text{O}})(:\text{O}:^{-}) $; Валентность: N(IV); Геометрия: плоская; Полярность: неполярная.

и) HNO₃ (азотная кислота)

Электронная формула (структура Льюиса): Атом азота связан с тремя атомами кислорода, один из которых связан с водородом. Общее число валентных электронов: $1(\text{H}) + 5(\text{N}) + 3 \times 6(\text{O}) = 24$. $ \text{H}-\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}-\overset{\underset{:\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}:^{-}}{\|}}{\overset{+}{\text{N}}}=\underset{\cdot\cdot}{\text{O}} $ (существует резонанс между двумя терминальными кислородами).

Валентность атомов: Азот (N) четырехвалентен. Кислород в группе OH двухвалентен. Водород (H) одновалентен. Терминальные кислороды (один двух-, другой одновалентен) эквивалентны из-за резонанса.

Геометрическая форма: Геометрия вокруг атома азота – тригональная плоская. Геометрия в фрагменте H-O-N – угловая. Молекула в целом не является плоской.

Полярность: Молекула асимметрична и содержит сильно полярные связи (O-H, N-O). Молекула полярная.

Ответ: Электронная формула: $ \text{H}-\ddot{\text{O}}-\text{N}^{+}(=\ddot{\text{O}})(-\ddot{\text{O}}:^{-}) $; Валентности: N(IV), O(II), H(I); Геометрия: тригональная плоская вокруг N; Полярность: полярная.

к) NO₃⁻ (нитрат-ион)

Электронная формула (структура Льюиса): Изоэлектронен карбонат-иону. Центральный атом азота связан с тремя атомами кислорода. Связи делокализованы. Общее число валентных электронов: $5(\text{N}) + 3 \times 6(\text{O}) + 1(\text{заряд}) = 24$. Структура является гибридом трех резонансных форм, аналогично CO₃²⁻. $ \begin{bmatrix} \ \ \underset{\cdot\cdot}{\text{O}} \\ \ \ \parallel \\ \overset{+}{\text{N}} \\ / \ \ \setminus \\ :\ddot{\text{O}}:^- \ \ :\ddot{\text{O}}:^- \end{bmatrix}^{-} $

Валентность атомов: Азот (N) четырехвалентен. Все атомы кислорода эквивалентны.

Геометрическая форма: Центральный атом азота имеет 3 σ-связи и 0 неподеленных пар. Форма иона – тригональная плоская.

Ответ: Электронная формула – резонансный гибрид; Валентность: N(IV); Геометрия: тригональная плоская.

л) BF₃ (фторид бора)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом бора связан с тремя атомами фтора. Общее число валентных электронов: $3(\text{B}) + 3 \times 7(\text{F}) = 24$. Атом бора имеет неполный октет. $ \begin{smallmatrix} :\ddot{\text{F}}: \\ | \\ \text{B} \\ / \ \setminus \\ :\ddot{\text{F}}: \ \ :\ddot{\text{F}}: \end{smallmatrix} $

Валентность атомов: Бор (B) трехвалентен. Фтор (F) одновалентен.

Геометрическая форма: Центральный атом бора имеет 3 σ-связи и 0 неподеленных пар. Форма молекулы – тригональная плоская.

Полярность: Связи B-F полярны, но из-за симметричной формы молекулы дипольные моменты связей компенсируются. Молекула неполярная.

Ответ: Электронная формула: $ \text{F}-\text{B}(\text{F})-\text{F} $; Валентности: B(III), F(I); Геометрия: тригональная плоская; Полярность: неполярная.

м) BF₄⁻ (тетрафторборат-ион)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом бора связан с четырьмя атомами фтора. Общее число валентных электронов: $3(\text{B}) + 4 \times 7(\text{F}) + 1(\text{заряд}) = 32$. $ \begin{bmatrix} \ \ \text{F} \\ \ \ | \\ \text{F}-\overset{-}{\text{B}}-\text{F} \\ \ \ | \\ \ \ \text{F} \end{bmatrix}^{-} $

Валентность атомов: Бор (B) четырехвалентен. Фтор (F) одновалентен.

Геометрическая форма: Центральный атом бора имеет 4 σ-связи и 0 неподеленных пар. Форма иона – тетраэдрическая.

Ответ: Электронная формула: $ [\text{BF}_{4}]^{-} $; Валентности: B(IV), F(I); Геометрия: тетраэдрическая.

н) PCl₅ (хлорид фосфора(V))

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом фосфора связан с пятью атомами хлора. Это случай гипервалентной молекулы (расширенный октет). Общее число валентных электронов: $5(\text{P}) + 5 \times 7(\text{Cl}) = 40$. Атом P в центре, 3 атома Cl в экваториальной плоскости и 2 атома Cl на аксиальной оси.

Валентность атомов: Фосфор (P) пятивалентен. Хлор (Cl) одновалентен.

Геометрическая форма: Центральный атом фосфора имеет 5 σ-связей и 0 неподеленных пар. Форма молекулы – тригональная бипирамидальная.

Полярность: Молекула имеет симметричную форму, дипольные моменты связей взаимно компенсируются. Молекула неполярная.

Ответ: Электронная формула: $ \text{PCl}_{5} $; Валентности: P(V), Cl(I); Геометрия: тригональная бипирамидальная; Полярность: неполярная.

о) Al(OH)₄⁻ (тетрагидроксоалюминат-ион)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом алюминия связан с четырьмя гидроксогруппами. Общее число валентных электронов: $3(\text{Al}) + 4 \times (6(\text{O}) + 1(\text{H})) + 1(\text{заряд}) = 32$. $ \begin{bmatrix} \ \ \text{HO} \\ \ \ \ \ | \\ \text{HO}-\overset{-}{\text{Al}}-\text{OH} \\ \ \ \ \ | \\ \ \ \ \text{OH} \end{bmatrix}^{-} $

Валентность атомов: Алюминий (Al) четырехвалентен. Кислород (O) двухвалентен. Водород (H) одновалентен.

Геометрическая форма: Центральный атом алюминия имеет 4 σ-связи и 0 неподеленных пар. Форма иона – тетраэдрическая.

Ответ: Электронная формула: $ [\text{Al(OH)}_{4}]^{-} $; Валентности: Al(IV), O(II), H(I); Геометрия: тетраэдрическая.

п) Fe(CO)₅ (пентакарбонил железа)

Электронная формула (структура Льюиса): Комплексное соединение. Центральный атом железа связан с пятью лигандами CO через атом углерода по донорно-акцепторному механизму. $ \text{Fe(CO)}_{5} $

Валентность атомов: Координационное число железа (Fe) равно 5. Валентность C и O в лиганде CO равна III.

Геометрическая форма: Пять лигандов расположены вокруг центрального атома. Форма молекулы – тригональная бипирамидальная.

Полярность: Молекула имеет симметричную форму с одинаковыми лигандами. Молекула неполярная.

Ответ: Структура: комплекс с 5 лигандами CO; Координационное число Fe = 5; Геометрия: тригональная бипирамидальная; Полярность: неполярная.

р) Fe(CN)₆³⁻ (гексацианоферрат(III)-ион)

Электронная формула (структура Льюиса): Комплексный ион. Центральный ион Fe³⁺ связан с шестью цианид-лигандами (CN⁻) через атом углерода. $ [\text{Fe(CN)}_{6}]^{3-} $

Валентность атомов: Координационное число железа (Fe) равно 6.

Геометрическая форма: Шесть лигандов расположены вокруг центрального иона. Форма иона – октаэдрическая.

Ответ: Структура: комплекс с 6 лигандами CN⁻; Координационное число Fe = 6; Геометрия: октаэдрическая.