Страница 23 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.96. Определите формальные заряды на центральных атомах следующих фрагментов:

Формальный заряд (ФЗ) на атоме в молекуле или ионе определяется по формуле:

$ФЗ = (\text{число валентных электронов свободного атома}) - (\text{число неподеленных электронов}) - \frac{1}{2} (\text{число связывающих электронов})$

В краткой форме: $ФЗ = V - N - B/2$, где $V$ – номер группы элемента (число валентных электронов), $N$ – число электронов в неподеленных парах (каждая пара – 2 электрона), $B$ – число электронов в ковалентных связях (каждая связь – 2 электрона).

Число валентных электронов для рассматриваемых атомов:

• Углерод (C): $V = 4$
• Кислород (O): $V = 6$
• Азот (N): $V = 5$
• Хлор (Cl): $V = 7$

а) Расчет формальных зарядов для атомов углерода:

1. Атом углерода образует 4 одинарные связи.
   Число неподеленных электронов $N = 0$.
   Число связывающих электронов $B = 4 \times 2 = 8$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 4 - 0 - 8/2 = 0$.
2. Атом углерода образует 3 одинарные связи и имеет одну неподеленную электронную пару.
   Число неподеленных электронов $N = 2$.
   Число связывающих электронов $B = 3 \times 2 = 6$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 4 - 2 - 6/2 = -1$.
3. Атом углерода образует 3 одинарные связи и не имеет неподеленных электронных пар.
   Число неподеленных электронов $N = 0$.
   Число связывающих электронов $B = 3 \times 2 = 6$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 4 - 0 - 6/2 = +1$.

Ответ: 0, -1, +1.

б) Расчет формальных зарядов для атомов кислорода:

1. Атом кислорода образует 3 одинарные связи и имеет одну неподеленную электронную пару.
   Число неподеленных электронов $N = 2$.
   Число связывающих электронов $B = 3 \times 2 = 6$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 6 - 2 - 6/2 = +1$.
2. Атом кислорода образует 2 одинарные связи и имеет две неподеленные электронные пары.
   Число неподеленных электронов $N = 4$.
   Число связывающих электронов $B = 2 \times 2 = 4$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 6 - 4 - 4/2 = 0$.
3. Атом кислорода образует 1 одинарную связь и имеет три неподеленные электронные пары.
   Число неподеленных электронов $N = 6$.
   Число связывающих электронов $B = 1 \times 2 = 2$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 6 - 6 - 2/2 = -1$.

Ответ: +1, 0, -1.

в) Расчет формальных зарядов для атомов азота:

1. Атом азота образует 4 одинарные связи.
   Число неподеленных электронов $N = 0$.
   Число связывающих электронов $B = 4 \times 2 = 8$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 5 - 0 - 8/2 = +1$.
2. Атом азота образует 3 одинарные связи и имеет одну неподеленную электронную пару.
   Число неподеленных электронов $N = 2$.
   Число связывающих электронов $B = 3 \times 2 = 6$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 5 - 2 - 6/2 = 0$.
3. Атом азота образует 2 одинарные связи и имеет одну неподеленную электронную пару.
   Число неподеленных электронов $N = 2$.
   Число связывающих электронов $B = 2 \times 2 = 4$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 5 - 2 - 4/2 = +1$.
4. Атом азота образует 1 одинарную связь и имеет две неподеленные электронные пары.
   Число неподеленных электронов $N = 4$.
   Число связывающих электронов $B = 1 \times 2 = 2$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 5 - 4 - 2/2 = 0$.

Ответ: +1, 0, +1, 0.

г) Расчет формальных зарядов для атомов хлора:

1. Атом хлора образует 2 одинарные связи и имеет две неподеленные электронные пары.
   Число неподеленных электронов $N = 4$.
   Число связывающих электронов $B = 2 \times 2 = 4$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 7 - 4 - 4/2 = +1$.
2. Атом хлора образует 1 одинарную связь и имеет три неподеленные электронные пары.
   Число неподеленных электронов $N = 6$.
   Число связывающих электронов $B = 1 \times 2 = 2$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 7 - 6 - 2/2 = 0$.
3. Атом хлора не образует связей и имеет четыре неподеленные электронные пары (хлорид-ион).
   Число неподеленных электронов $N = 8$.
   Число связывающих электронов $B = 0$.
   Формальный заряд: $ФЗ = 7 - 8 - 0/2 = -1$.

Ответ: +1, 0, -1.

1.97. Укажите формальные заряды на атомах в следующих частицах, считая что все атомы удовлетворяют правилу октетов Льюиса:

Для определения формальных зарядов используется формула:
Формальный заряд = (Число валентных электронов нейтрального атома) - (Число электронов в неподеленных парах) - 1/2 * (Число электронов в ковалентных связях)

Формулу можно записать как: $ФЗ = V - L - S/2$, где:
$V$ - число валентных электронов атома в свободном состоянии (равно номеру группы для элементов главных подгрупп).
$L$ - число электронов в неподеленных (несвязывающих) парах у данного атома.
$S$ - число электронов в ковалентных связях, образованных данным атомом (каждая связь - 2 электрона).

Условие задачи требует, чтобы все атомы (кроме водорода) удовлетворяли правилу октетов, то есть имели 8 электронов на валентной оболочке. Водород удовлетворяет правилу дуплета (2 электрона).

а) Частица представляет собой протонированную форму диметилового эфира, катион диметилоксония $(CH_3)_2OH^+$. Чтобы все атомы удовлетворяли правилу октета, необходимо дорисовать неподеленные электронные пары.

• Атомы углерода $(C)$ образуют по 4 связи (три с $H$ и одну с $O$). У них нет неподеленных пар. Валентных электронов $V_C = 4$. Число связывающих электронов $S_C = 8$.
  $ФЗ(C) = 4 - 0 - 8/2 = 0$.
• Атом кислорода $(O)$ образует 3 связи (две с $C$ и одну с $H$). Для соблюдения правила октета он должен иметь одну неподеленную пару электронов (3 связи × 2e⁻ + 1 пара × 2e⁻ = 8e⁻). Валентных электронов $V_O = 6$. Число электронов в неподеленной паре $L_O = 2$. Число связывающих электронов $S_O = 6$.
  $ФЗ(O) = 6 - 2 - 6/2 = +1$.
• Атомы водорода $(H)$ образуют по одной связи. $ФЗ(H) = 0$.

Ответ: Формальный заряд $+1$ на атоме кислорода.

б) Структура показана как $H_2C-O$. Чтобы оба атома, углерод и кислород, удовлетворяли правилу октета, им необходимо добавить неподеленные электронные пары.

• Атом углерода $(C)$ образует 3 связи (две с $H$ и одну с $O$). Для октета ему необходима одна неподеленная пара электронов (3 связи × 2e⁻ + 1 пара × 2e⁻ = 8e⁻). Валентных электронов $V_C = 4$. Число электронов в неподеленной паре $L_C = 2$. Число связывающих электронов $S_C = 6$.
  $ФЗ(C) = 4 - 2 - 6/2 = -1$.
• Атом кислорода $(O)$ образует 1 связь (с $C$). Для октета ему необходимо три неподеленные пары электронов (1 связь × 2e⁻ + 3 пары × 2e⁻ = 8e⁻). Валентных электронов $V_O = 6$. Число электронов в неподеленных парах $L_O = 6$. Число связывающих электронов $S_O = 2$.
  $ФЗ(O) = 6 - 6 - 2/2 = -1$.

Ответ: Формальный заряд $-1$ на атоме углерода и $-1$ на атоме кислорода.

в) Частица является катионом диметиламмония $[(CH_3)_2NH_2]^+$, который образуется при протонировании диметиламина.

• Атом азота $(N)$ образует 4 связи (две с $C$ и две с $H$). Для удовлетворения правила октета у него не должно быть неподеленных пар (4 связи × 2e⁻ = 8e⁻). Валентных электронов $V_N = 5$. Число электронов в неподеленных парах $L_N = 0$. Число связывающих электронов $S_N = 8$.
  $ФЗ(N) = 5 - 0 - 8/2 = +1$.
• Атомы углерода и водорода имеют нулевые формальные заряды, так как образуют 4 и 1 связь соответственно.

Ответ: Формальный заряд $+1$ на атоме азота.

г) Частица представляет собой протонированный ацетонитрил $[CH_3C≡NH]^+$.

• Атом азота $(N)$ образует тройную связь с одним атомом углерода и одинарную связь с атомом водорода (всего 4 ковалентные связи). Для правила октета у него нет неподеленных пар. Валентных электронов $V_N = 5$. Число связывающих электронов $S_N = 8$.
  $ФЗ(N) = 5 - 0 - 8/2 = +1$.
• Атомы углерода (оба) образуют по 4 связи. Их формальные заряды равны нулю.
• Атомы водорода образуют по одной связи, их формальные заряды равны нулю.

Ответ: Формальный заряд $+1$ на атоме азота.

д) Изображение этой структуры, по-видимому, содержит опечатку. Наиболее вероятная химически корректная частица, которая может быть представлена похожим набором атомов и удовлетворяет правилу октета, — это енолят-ион ацетона $[CH_3C(O)CH_2]^-$.

• Атом углерода метиленовой группы $(CH_2)$ связан с карбонильным углеродом и двумя атомами водорода (3 связи). Для соблюдения правила октета он должен иметь одну неподеленную пару электронов. Валентных электронов $V_C = 4$. Число электронов в неподеленной паре $L_C = 2$. Число связывающих электронов $S_C = 6$.
  $ФЗ(C_{CH_2}) = 4 - 2 - 6/2 = -1$.
• Карбонильный атом углерода $(C=O)$ образует 4 связи, его формальный заряд 0.
• Атом кислорода $(O)$ образует двойную связь и имеет 2 неподеленные пары, его формальный заряд 0.
• Атом углерода метильной группы $(CH_3)$ образует 4 связи, его формальный заряд 0.

Ответ: Формальный заряд $-1$ на атоме углерода группы $CH_2$.

е) Частица является аддуктом оксирана (этиленоксида) и трифторида бора, $(CH_2)_2O-BF_3$. Связь $O-B$ является донорно-акцепторной, где кислород — донор, а бор — акцептор электронной пары.

• Атом кислорода $(O)$ образует 3 связи (две с $C$ и одну с $B$). Для октета он должен иметь одну неподеленную пару. Валентных электронов $V_O = 6$. Число электронов в неподеленной паре $L_O = 2$. Число связывающих электронов $S_O = 6$.
  $ФЗ(O) = 6 - 2 - 6/2 = +1$.
• Атом бора $(B)$ образует 4 связи (три с $F$ и одну с $O$). У него нет неподеленных пар. Валентных электронов $V_B = 3$. Число связывающих электронов $S_B = 8$.
  $ФЗ(B) = 3 - 0 - 8/2 = -1$.
• Атомы фтора, углерода и водорода имеют нулевые формальные заряды.

Ответ: Формальный заряд $+1$ на атоме кислорода и $-1$ на атоме бора.

ж) Частица представляет собой циклический катион бромония $[C_2H_4Br]^+$, образующийся, например, при присоединении $Br^+$ к этилену.

• Атом брома $(Br)$ образует 2 связи с атомами углерода. Чтобы удовлетворить правилу октета, он должен иметь 2 неподеленные электронные пары (2 связи × 2e⁻ + 2 пары × 2e⁻ = 8e⁻). Валентных электронов $V_{Br} = 7$. Число электронов в неподеленных парах $L_{Br} = 4$. Число связывающих электронов $S_{Br} = 4$.
  $ФЗ(Br) = 7 - 4 - 4/2 = +1$.
• Атомы углерода и водорода имеют нулевые формальные заряды.

Ответ: Формальный заряд $+1$ на атоме брома.

з) Частица представляет собой нитрометан, $CH_3NO_2$. Общепринятая структура Льюиса для нитрогруппы включает разделение зарядов для удовлетворения правила октета.

• Атом азота $(N)$ связан с атомом углерода, одним атомом кислорода двойной связью и другим атомом кислорода одинарной связью. Это эквивалентно 4 ковалентным связям, поэтому у него нет неподеленных пар. Валентных электронов $V_N = 5$. Число связывающих электронов $S_N = 8$.
  $ФЗ(N) = 5 - 0 - 8/2 = +1$.
• Атом кислорода, связанный двойной связью $(O=)$, имеет 2 неподеленные пары. Валентных электронов $V_O = 6$. Число электронов в неподеленных парах $L_O = 4$. Число связывающих электронов $S_O = 4$.
  $ФЗ(O=) = 6 - 4 - 4/2 = 0$.
• Атом кислорода, связанный одинарной связью $(O-)$, для октета должен иметь 3 неподеленные пары. Валентных электронов $V_O = 6$. Число электронов в неподеленных парах $L_O = 6$. Число связывающих электронов $S_O = 2$.
  $ФЗ(O-) = 6 - 6 - 2/2 = -1$.
• Атом углерода и атомы водорода имеют нулевые формальные заряды.

Ответ: Формальный заряд $+1$ на атоме азота и $-1$ на атоме кислорода, связанном одинарной связью.

и) Частица представляет собой азиридин (этиленимин), трехчленный гетероцикл состава $C_2H_5N$. Это нейтральная молекула.

• Атом азота $(N)$ образует 3 связи (две с $C$ и одну с $H$). Для соблюдения правила октета он должен иметь одну неподеленную пару электронов. Валентных электронов $V_N = 5$. Число электронов в неподеленной паре $L_N = 2$. Число связывающих электронов $S_N = 6$.
  $ФЗ(N) = 5 - 2 - 6/2 = 0$.
• Каждый атом углерода $(C)$ образует 4 связи (две с $H$, одну с другим $C$ и одну с $N$). Их формальные заряды равны нулю.
• Атомы водорода образуют по одной связи, их формальные заряды также равны нулю.

Ответ: Все атомы в молекуле имеют нулевой формальный заряд.