Номер 134, страница 269 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.134. Расположите в порядке увеличения дипольного момента молекулы: ${\mathrm{NH}}_3,$ ${\mathrm{NH}}_2\mathrm{F},$ ${\mathrm{NHF}}_2,$ ${\mathrm{NF}}_3.$

Для определения порядка увеличения дипольного момента молекул NH₃, NH₂F, NHF₂ и NF₃ необходимо проанализировать их геометрию и распределение электронной плотности.

Все четыре молекулы имеют схожее строение: центральный атом азота, связанный с тремя другими атомами, и одна неподеленная электронная пара на атоме азота. Согласно теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (ОЭПВО или VSEPR), это приводит к тригонально-пирамидальной геометрии для всех молекул. Поскольку такая геометрия асимметрична, все молекулы являются полярными, то есть обладают ненулевым дипольным моментом ($ \vec{\mu} \ne 0 $).

Общий дипольный момент молекулы является векторной суммой дипольных моментов отдельных связей и дипольного момента неподеленной электронной пары. Направление вектора дипольного момента связи — от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному. Дипольный момент неподеленной пары направлен от центрального атома.

Рассмотрим каждую молекулу:

NF₃ (Трифторид азота)
Электроотрицательность фтора (ЭО ≈ 3.98) значительно выше, чем у азота (ЭО ≈ 3.04). Поэтому дипольные моменты трех связей N–F направлены от атома азота к атомам фтора. Векторная сумма этих трех диполей направлена в сторону, противоположную дипольному моменту неподеленной электронной пары. В результате происходит значительная взаимная компенсация векторов, и итоговый дипольный момент молекулы оказывается очень малым.

NH₃ (Аммиак)
Электроотрицательность азота (ЭО ≈ 3.04) выше, чем у водорода (ЭО ≈ 2.20). Дипольные моменты трех связей N–H направлены от атомов водорода к атому азота. Их векторная сумма направлена в ту же сторону, что и дипольный момент неподеленной электронной пары. Происходит сложение (усиление) дипольных моментов, что приводит к значительному общему дипольному моменту, который гораздо больше, чем у NF₃.

NHF₂ и NH₂F
В этих молекулах происходит замещение атомов водорода на атомы фтора. Это приводит к двум конкурирующим эффектам:
1. Векторный эффект: Замещение связи N–H (диполь направлен к N) на связь N–F (диполь направлен от N) создает вектор, противодействующий диполю неподеленной пары и оставшихся связей N–H.
2. Индуктивный эффект: Высокоэлектроотрицательные атомы фтора оттягивают электронную плотность от атома азота, делая его более положительно заряженным. Это, в свою очередь, сильно увеличивает полярность (и дипольный момент) оставшихся связей N–H.

Сравнение показывает, что индуктивный эффект играет ключевую роль в определении итогового дипольного момента для этих двух молекул.

• В молекуле NH₂F (фторамин) есть две сильно поляризованные за счет индуктивного эффекта связи N–H и только одна связь N–F. Суммарный усиливающий эффект от двух связей N-H и неподеленной пары значительно перевешивает компенсирующий эффект от одной связи N-F. В результате эта молекула обладает наибольшим дипольным моментом в данном ряду.
• В молекуле NHF₂ (дифторамин) есть одна сильно поляризованная связь N–H, диполь которой сонаправлен с диполем неподеленной пары, и две связи N–F, диполи которых направлены в противоположную сторону. Компенсирующее действие от двух атомов фтора здесь сильнее, чем в NH₂F, поэтому ее дипольный момент меньше. Однако из-за сильной поляризации связи N-H общий дипольный момент все же оказывается больше, чем у аммиака.

Таким образом, располагая молекулы в порядке увеличения их дипольного момента, мы получаем следующий ряд: наименьший дипольный момент у NF₃ (из-за максимальной компенсации векторов), затем идет NH₃, далее NHF₂ и самый большой дипольный момент у NH₂F.

Решение

Порядок увеличения дипольного момента определяется векторным сложением дипольных моментов связей и неподеленной электронной пары, а также индуктивным влиянием заместителей.
1. NF₃: диполи связей N-F направлены противоположно диполю неподеленной пары, что приводит к сильной компенсации и минимальному общему дипольному моменту.
2. NH₃: диполи связей N-H и диполь неподеленной пары сонаправлены, что приводит к их сложению и большому дипольному моменту.
3. NHF₂: диполь одной связи N-H и неподеленной пары противостоит диполям двух связей N-F. Однако индуктивный эффект двух атомов F сильно поляризует связь N-H, что в итоге дает дипольный момент больший, чем у NH₃.
4. NH₂F: диполи двух связей N-H и неподеленной пары противостоят диполю одной связи N-F. Индуктивный эффект от одного атома F поляризует две связи N-H. Сочетание двух усиливающих векторов N-H и одного ослабляющего вектора N-F дает наибольший суммарный дипольный момент в ряду.
Следовательно, ряд по увеличению дипольного момента: NF₃ < NH₃ < NHF₂ < NH₂F.

Ответ: NF₃ < NH₃ < NHF₂ < NH₂F.