Страница 267 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.106. Сколько электронов содержится в молекуле СО? Сколько из них принимают участие в образовании химических связей в молекуле?

Сколько электронов содержится в молекуле CO?

Чтобы найти общее количество электронов в молекуле оксида углерода(II) (CO), необходимо сложить количество электронов в каждом атоме, входящем в ее состав. Молекула CO состоит из одного атома углерода (C) и одного атома кислорода (O).

Количество электронов в нейтральном атоме равно его порядковому номеру в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Атом углерода (C) имеет порядковый номер 6, следовательно, в нем содержится 6 электронов.

Атом кислорода (O) имеет порядковый номер 8, следовательно, в нем содержится 8 электронов.

Суммарное число электронов в молекуле CO составляет: $N_e = 6 + 8 = 14$.

Ответ: в молекуле CO содержится 14 электронов.

Сколько из них принимают участие в образовании химических связей в молекуле?

Количество электронов, участвующих в образовании химических связей, определяется строением молекулы. В образовании связей участвуют валентные электроны, то есть электроны внешнего энергетического уровня.

Атом углерода (C) имеет 4 валентных электрона (электронная конфигурация внешнего слоя $2s^22p^2$).

Атом кислорода (O) имеет 6 валентных электронов (электронная конфигурация внешнего слоя $2s^22p^4$).

В молекуле оксида углерода(II) атомы углерода и кислорода соединены тройной ковалентной связью, чтобы оба атома достигли стабильной электронной конфигурации октета (8 электронов на внешней оболочке). Структурная формула молекулы: $C \equiv O$.

Эта тройная связь образована тремя общими электронными парами. Две связи образуются по обменному механизму, а третья — по донорно-акцепторному механизму (атом кислорода является донором электронной пары, а атом углерода — акцептором).

Каждая ковалентная связь — это пара (2) электронов. Поскольку связь тройная, общее число связывающих электронов равно: $3 \text{ связи} \times 2 \text{ электрона} = 6 \text{ электронов}$.

Ответ: в образовании химических связей в молекуле CO принимают участие 6 электронов.

10.107. Сколько электронов содержится в ионе ${\mathrm{NH}}_4^{+}?$Сколько из них принимают участие в образовании химических связей?

Дано:

Ион аммония $NH_4^+$

Найти:

1. Общее количество электронов в ионе $NH_4^+$.

2. Количество электронов, принимающих участие в образовании химических связей в ионе $NH_4^+$.

Решение:

Для решения задачи ответим на каждый вопрос последовательно.

Сколько электронов содержится в ионе $NH_4^+$?

Общее количество электронов в ионе можно найти, просуммировав число электронов всех атомов, входящих в его состав, и скорректировав это число на величину заряда иона.

1. Атом азота (N) находится в таблице Менделеева под номером 7. Это означает, что нейтральный атом азота содержит 7 протонов и, соответственно, 7 электронов.

2. Атом водорода (H) имеет порядковый номер 1, следовательно, нейтральный атом водорода содержит 1 электрон. В ионе аммония $NH_4^+$ содержится четыре атома водорода, которые суммарно имеют $4 \times 1 = 4$ электрона.

3. Общее число электронов в гипотетической нейтральной частице $NH_4$ было бы равно сумме электронов всех атомов: $7 + 4 = 11$ электронов.

4. Ион $NH_4^+$ имеет положительный заряд +1. Это указывает на то, что частица потеряла один электрон по сравнению с набором нейтральных атомов. Поэтому из общего числа электронов нужно вычесть единицу.

Итоговое количество электронов в ионе $NH_4^+$ равно: $11 - 1 = 10$ электронов.

Ответ: В ионе $NH_4^+$ содержится 10 электронов.

Сколько из них принимают участие в образовании химических связей?

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть строение иона аммония. Ион $NH_4^+$ образуется при присоединении протона ($H^+$) к молекуле аммиака ($NH_3$) по донорно-акцепторному механизму.

В ионе $NH_4^+$ центральный атом азота образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода. Три из этих связей образованы по обменному механизму (унаследованы от молекулы аммиака $NH_3$), а одна — по донорно-акцепторному (за счет неподеленной пары электронов азота и пустой орбитали иона $H^+$). После образования все четыре связи N-H становятся равноценными.

Каждая одинарная ковалентная связь состоит из одной электронной пары, то есть из 2 электронов.

Поскольку в ионе $NH_4^+$ четыре связи N-H, общее число электронов, участвующих в образовании химических связей (связывающих электронов), составляет:
$4 \text{ связи} \times 2 \text{ электрона/связь} = 8$ электронов.

Остальные электроны иона ($10 - 8 = 2$) являются внутренними электронами атома азота (находятся на 1s-подуровне) и не участвуют в образовании химических связей.

Ответ: В образовании химических связей в ионе $NH_4^+$ участвуют 8 электронов.

10.108. Какие из перечисленных молекул: ${\mathrm{NO}}_2,$ ${\mathrm{PH}}_3,$ ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S},$ ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8,$ ${\mathrm{HClO}}_4,$ ${\mathrm{CH}}_3\mathrm{Cl},$ бутадиен-1,3, ${\mathrm{Р}}_4{\mathrm{O}}_{10},$ ${\mathrm{S}}_8,$ циклогексан – имеют объёмное (неплоское) строение?

Для определения строения молекул проанализируем геометрию каждой из них, основываясь на теории гибридизации атомных орбиталей и модели отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

NO₂

Молекула диоксида азота ($NO_2$) состоит из трёх атомов. Центральный атом азота образует две связи с атомами кислорода, и молекула имеет угловую (изогнутую) форму. Любые три атома всегда лежат в одной плоскости, поэтому молекула диоксида азота является плоской.

Ответ: плоское строение.

PH₃

Молекула фосфина ($PH_3$) имеет тригонально-пирамидальную геометрию. Атом фосфора ($sp^3$-гибридизация) связан с тремя атомами водорода и имеет одну неподелённую электронную пару, которая отталкивает связывающие пары, создавая пирамидальную структуру. Четыре атома (атом фосфора и три атома водорода) не могут лежать в одной плоскости. Следовательно, молекула имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

H₂S

Молекула сероводорода ($H_2S$) является трёхатомной. Атом серы ($sp^3$-гибридизация) связан с двумя атомами водорода и имеет две неподелённые электронные пары, что приводит к угловой геометрии. Поскольку молекула состоит всего из трёх атомов, они всегда лежат в одной плоскости. Следовательно, молекула $H_2S$ плоская.

Ответ: плоское строение.

C₃H₈

Пропан ($C_3H_8$) — алкан, в котором все атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Это означает, что вокруг каждого атома углерода связи направлены к вершинам тетраэдра. Углеродная цепь имеет зигзагообразное строение, и атомы водорода располагаются в пространстве так, что вся молекула не может быть плоской. Следовательно, молекула пропана имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

HClO₄

В молекуле хлорной кислоты ($HClO_4$) центральный атом хлора связан с четырьмя атомами кислорода. Анион $ClO_4^−$ имеет тетраэдрическую структуру (атом Cl в $sp^3$-гибридизации). Присоединение протона к одному из атомов кислорода не меняет общую тетраэдрическую основу. Тетраэдр — это объёмная фигура. Следовательно, молекула $HClO_4$ имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

CH₃Cl

В молекуле хлорметана ($CH_3Cl$) атом углерода находится в $sp^3$-гибридизации и образует связи с тремя атомами водорода и одним атомом хлора. Эти четыре связи направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. Тетраэдрическая геометрия является объёмной. Следовательно, молекула $CH_3Cl$ имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

бутадиен-1,3

В молекуле бутадиена-1,3 ($CH_2=CH-CH=CH_2$) все четыре атома углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Наличие сопряжённой системы π-связей приводит к тому, что для достижения максимальной стабильности (за счёт перекрывания p-орбиталей) вся система атомов стремится к плоской конфигурации. Следовательно, молекула бутадиена-1,3 является плоской.

Ответ: плоское строение.

P₄O₁₀

Молекула оксида фосфора(V) ($P_4O_{10}$) обладает сложной каркасной структурой, в основе которой лежит тетраэдр из атомов фосфора. Атомы кислорода образуют мостики между атомами фосфора, а также имеются концевые двойные связи P=O. Эта структура является жёсткой и трёхмерной. Следовательно, молекула $P_4O_{10}$ имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

S₈

Наиболее устойчивая аллотропная модификация серы при стандартных условиях — это $S_8$. Молекула представляет собой восьмичленный цикл, который имеет неплоскую, "коронообразную" конформацию для минимизации углового и торсионного напряжения. Следовательно, молекула $S_8$ имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

циклогексан

Молекула циклогексана ($C_6H_{12}$) — это циклический алкан. Атомы углерода в цикле находятся в $sp^3$-гибридизации. Плоская конформация была бы крайне напряжённой. Поэтому циклогексан существует в виде неплоских конформаций, наиболее стабильной из которых является "кресло". Эта конформация является объёмной. Следовательно, молекула циклогексана имеет объёмное строение.

Ответ: объёмное строение.

Таким образом, объёмное (неплоское) строение имеют следующие молекулы из перечисленных: $PH_3$, $C_3H_8$, $HClO_4$, $CH_3Cl$, $P_4O_{10}$, $S_8$ и циклогексан.

10.109. В каких из перечисленных молекул: ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4,$ ${\mathrm{NH}}_3,$ ${\mathrm{O}}_3,$ ${\mathrm{CH}}_4,$ ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4,$ ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4,$ ${\mathrm{SO}}_3,$ ${\mathrm{PCl}}_3,$ ${\mathrm{COCl}}_2,$ ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6$ – все атомы лежат в одной плоскости?

Для определения, лежат ли все атомы молекулы в одной плоскости, необходимо проанализировать ее пространственное строение, которое можно предсказать с помощью теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) или теории гибридизации.

$H_3PO_4$ (ортофосфорная кислота)

Центральный атом фосфора ($P$) связан с четырьмя атомами кислорода. Расположение четырех атомов кислорода вокруг фосфора является тетраэдрическим (атом $P$ находится в $sp^3$-гибридизации). Тетраэдр — это объемная фигура, поэтому атомы в молекуле ортофосфорной кислоты не могут лежать в одной плоскости.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

$NH_3$ (аммиак)

Атом азота ($N$) имеет три связывающие электронные пары (с тремя атомами $H$) и одну неподеленную электронную пару. Четыре электронные пары располагаются тетраэдрически. Из-за наличия неподеленной пары молекула имеет форму тригональной пирамиды, а не плоского треугольника. Атом азота находится над плоскостью, образованной тремя атомами водорода.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

$O_3$ (озон)

Молекула состоит всего из трех атомов. Любые три точки в пространстве всегда лежат в одной плоскости. Молекула озона имеет угловое (изогнутое) строение, и все три атома кислорода находятся в одной плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

$CH_4$ (метан)

Атом углерода ($C$) находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и образует четыре одинарные связи с атомами водорода. Молекула имеет форму правильного тетраэдра, где атом углерода находится в центре, а атомы водорода — в вершинах. Это классический пример неплоской молекулы.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

$C_2H_4$ (этен или этилен)

Оба атома углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и соединены двойной связью. Геометрия вокруг каждого атома углерода — тригональная плоская. Двойная связь ($C=C$) жестко фиксирует оба фрагмента $CH_2$ в одной плоскости и не позволяет вращаться вокруг себя. В результате все шесть атомов молекулы лежат в одной плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

$H_2SO_4$ (серная кислота)

Аналогично ортофосфорной кислоте, центральный атом серы ($S$) связан с четырьмя атомами кислорода, образуя тетраэдрическое окружение ($sp^3$-гибридизация). Такая объемная структура не является плоской.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

$SO_3$ (оксид серы(VI))

Центральный атом серы ($S$) находится в $sp^2$-гибридизации и связан с тремя атомами кислорода. У атома серы нет неподеленных электронных пар. Молекула имеет форму плоского правильного треугольника, в центре которого находится атом серы, а в вершинах — атомы кислорода. Все четыре атома лежат в одной плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

$PCl_3$ (хлорид фосфора(III))

Строение молекулы аналогично строению аммиака. Центральный атом фосфора ($P$) имеет три связывающие электронные пары (с атомами $Cl$) и одну неподеленную электронную пару. Молекула имеет форму тригональной пирамиды и, следовательно, не является плоской.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

$COCl_2$ (фосген)

Центральный атом углерода ($C$) находится в $sp^2$-гибридизации, образуя двойную связь с кислородом и две одинарные связи с хлором. Геометрия молекулы — тригональная плоская. Все четыре атома (углерод, кислород и два атома хлора) лежат в одной плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

$C_2H_6$ (этан)

Оба атома углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Геометрия вокруг каждого атома углерода — тетраэдрическая. Из-за тетраэдрического расположения атомов водорода вокруг каждого атома углерода молекула в целом не является плоской.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

Таким образом, молекулы, в которых все атомы лежат в одной плоскости: $O_3$, $C_2H_4$, $SO_3$, $COCl_2$.

10.110. Какие из перечисленных молекул: ${\mathrm{CH}}_4,$${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_2,$ ${\mathrm{NO}}_2,$ ${\mathrm{Br}}_2,$ HCN, ${\mathrm{HNO}}_3,$ ${\mathrm{CO}}_2,$ ${\mathrm{SO}}_2,$ ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O},$ ${\mathrm{O}}_3$ – имеют линейное строение?

Решение

Для определения геометрии молекул и выяснения, какие из них имеют линейное строение, проанализируем каждую молекулу с использованием теории гибридизации атомных орбиталей и модели отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR). Линейная молекула характеризуется расположением всех ее атомов на одной прямой, что соответствует валентным углам 180°.

CH₄

В молекуле метана ($CH_4$) центральный атом углерода образует четыре одинарные связи с атомами водорода. Тип гибридизации атома углерода — $sp^3$. Электронные пары располагаются в пространстве таким образом, чтобы минимизировать отталкивание, что приводит к тетраэдрической геометрии. Валентный угол H-C-H составляет 109.5°. Следовательно, молекула не является линейной.

C₂H₂

В молекуле ацетилена ($C_2H_2$) каждый из двух атомов углерода связан с одним атомом водорода и другим атомом углерода (тройной связью). Тип гибридизации каждого атома углерода — $sp$. Две $sp$-гибридные орбитали каждого атома углерода располагаются на одной линии под углом 180°. Это приводит к линейному строению всей молекулы H-C≡C-H.

NO₂

В молекуле диоксида азота ($NO_2$) центральный атом азота связан с двумя атомами кислорода и имеет один неспаренный электрон на валентной оболочке. Наличие этого неспаренного электрона и двух связывающих электронных пар приводит к угловому (изогнутому) строению молекулы. Валентный угол O-N-O составляет примерно 134°. Молекула не является линейной.

Br₂

Молекула брома ($Br_2$) состоит из двух атомов. Любая двухатомная молекула по определению является линейной, так как через две точки всегда можно провести прямую линию.

HCN

В молекуле циановодорода ($HCN$) центральный атом углерода образует одинарную связь с водородом и тройную связь с азотом. Тип гибридизации атома углерода — $sp$. Это приводит к линейному расположению всех трех атомов (H, C, N). Валентный угол H-C-N равен 180°.

HNO₃

В молекуле азотной кислоты ($HNO_3$) центральный атом азота связан с тремя атомами кислорода (тип гибридизации — $sp^2$). Геометрия вокруг атома азота — тригональная плоская с углами, близкими к 120°. В целом молекула имеет плоское, но не линейное строение.

CO₂

В молекуле диоксида углерода ($CO_2$) центральный атом углерода образует две двойные связи с двумя атомами кислорода. Тип гибридизации атома углерода — $sp$. У центрального атома нет неподеленных электронных пар. Две двойные связи располагаются по разные стороны от атома углерода под углом 180°, что определяет линейное строение молекулы O=C=O.

SO₂

В молекуле диоксида серы ($SO_2$) центральный атом серы связан с двумя атомами кислорода и имеет одну неподеленную электронную пару. Учитывая две связывающие пары и одну неподеленную, общее число электронных доменов равно трем (тип гибридизации — $sp^2$). Из-за отталкивания со стороны неподеленной электронной пары молекула имеет угловое (изогнутое) строение с валентным углом O-S-O около 119°.

H₂O

В молекуле воды ($H_2O$) центральный атом кислорода связан с двумя атомами водорода и имеет две неподеленные электронные пары (тип гибридизации — $sp^3$). Эти четыре электронные пары располагаются тетраэдрически, но из-за наличия только двух атомов водорода молекула имеет угловое (изогнутое) строение. Валентный угол H-O-H составляет 104.5°.

O₃

В молекуле озона ($O_3$) центральный атом кислорода связан с двумя другими атомами кислорода и имеет одну неподеленную электронную пару (тип гибридизации — $sp^2$). Аналогично $SO_2$, молекула имеет угловое (изогнутое) строение с валентным углом O-O-O около 117°.

Проанализировав строение всех предложенных молекул, мы приходим к выводу, что линейными являются $C_2H_2$, $Br_2$, $HCN$ и $CO_2$.

Ответ: линейное строение имеют молекулы $C_2H_2$, $Br_2$, $HCN$, $CO_2$.

10.111. Какие из перечисленных молекул: ${\mathrm{I}}_2,$ HI, ${\mathrm{CCl}}_4,$ ${\mathrm{CHCl}}_3,$${\mathrm{CH}}_2{\mathrm{Cl}}_2,$ ${\mathrm{SO}}_3,$ ${\mathrm{NH}}_3,$ ${\mathrm{P}}_4,$ ацетон, бензол – полярны, т. е. имеют ненулевой дипольный момент?

Полярность молекулы, то есть наличие у нее ненулевого дипольного момента, зависит от двух факторов: полярности химических связей внутри молекулы и ее геометрической формы. Молекула является полярной, если она содержит полярные связи и ее форма асимметрична, что приводит к тому, что векторная сумма дипольных моментов отдельных связей не равна нулю. Рассмотрим каждую молекулу.

$I_2$

Молекула йода ($I_2$) состоит из двух одинаковых атомов. Разность электроотрицательностей между ними равна нулю, поэтому связь $I-I$ является неполярной ковалентной. Следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ: неполярна.

$HI$

Молекула йодоводорода ($HI$) состоит из двух разных атомов. Атом йода более электроотрицателен, чем атом водорода, поэтому связь $H-I$ полярна. Так как молекула двухатомная, дипольный момент этой единственной связи не может быть скомпенсирован, и молекула в целом является полярной.

Ответ: полярна.

$CCl_4$

Молекула тетрахлорметана ($CCl_4$) имеет тетраэдрическое строение. Связи $C-Cl$ полярны из-за разницы в электроотрицательности углерода и хлора. Однако, благодаря симметричному расположению четырех связей в пространстве, их дипольные моменты векторно компенсируют друг друга. Суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ: неполярна.

$CHCl_3$

Молекула хлороформа ($CHCl_3$) также имеет тетраэдрическое строение, но, в отличие от $CCl_4$, она асимметрична. Атомы, связанные с центральным атомом углерода, различны (три атома хлора и один атом водорода). Дипольные моменты связей $C-Cl$ и $C-H$ имеют разную величину и направленность. Их векторная сумма не равна нулю, что делает молекулу полярной.

Ответ: полярна.

$CH_2Cl_2$

Молекула дихлорметана ($CH_2Cl_2$) асимметрична. Она имеет тетраэдрическое строение с двумя атомами водорода и двумя атомами хлора вокруг центрального атома углерода. Векторные суммы дипольных моментов связей $C-H$ и $C-Cl$ не компенсируют друг друга. В результате молекула обладает ненулевым дипольным моментом.

Ответ: полярна.

$SO_3$

Молекула оксида серы(VI) ($SO_3$) имеет форму плоского правильного треугольника с атомом серы в центре. Связи $S-O$ полярны. Однако из-за высокой симметрии молекулы (углы $O-S-O$ равны 120°) дипольные моменты трех связей взаимно компенсируются. Суммарный дипольный момент равен нулю.

Ответ: неполярна.

$NH_3$

Молекула аммиака ($NH_3$) имеет форму тригональной пирамиды. На атоме азота находится неподеленная электронная пара, которая придает молекуле асимметричное строение. Связи $N-H$ полярны, и их дипольные моменты, а также дипольный момент неподеленной пары, складываются в ненулевой суммарный дипольный момент.

Ответ: полярна.

$P_4$

Молекула белого фосфора ($P_4$) имеет форму тетраэдра, в вершинах которого находятся атомы фосфора. Так как все атомы одинаковы, все связи $P-P$ являются неполярными. Дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ: неполярна.

ацетон

Молекула ацетона ($CH_3COCH_3$) содержит сильно полярную карбонильную группу $C=O$ из-за большой разницы в электроотрицательности между кислородом и углеродом. Геометрия молекулы асимметрична, поэтому дипольный момент карбонильной группы не компенсируется, и молекула в целом является полярной.

Ответ: полярна.

бензол

Молекула бензола ($C_6H_6$) представляет собой плоский правильный шестиугольник. Хотя связи $C-H$ являются слабополярными, молекула обладает очень высокой симметрией. Вследствие этого дипольные моменты всех связей взаимно компенсируются, и суммарный дипольный момент равен нулю.

Ответ: неполярна.

Таким образом, полярными молекулами из перечисленного списка, которые имеют ненулевой дипольный момент, являются: $HI$, $CHCl_3$, $CH_2Cl_2$, $NH_3$ и ацетон.

10.112. Среди перечисленных молекул: ${\mathrm{N}}_2;$ ${\mathrm{HNO}}_3;$ ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2;$ ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4;$ ${\mathrm{PH}}_3;$ ${\mathrm{CO}}_2$ – выберите все молекулы, в которых хотя бы один из элементов имеет валентность III.

Для решения этой задачи необходимо определить валентность элементов в каждой из предложенных молекул. Валентность атома — это число химических связей, которые он образует с другими атомами.

N₂

Молекула азота ($N_2$) состоит из двух атомов азота. Эти атомы соединены тройной ковалентной связью ($N \equiv N$). Каждый атом азота образует три связи, следовательно, валентность азота в этой молекуле равна III.

Ответ: молекула $N_2$ содержит элемент (азот) с валентностью III.

HNO₃

В молекуле азотной кислоты ($HNO_3$) атом азота образует четыре ковалентные связи: одну одинарную с атомом кислорода гидроксигруппы, одну двойную с другим атомом кислорода и еще одну связь (донорно-акцепторную или одинарную в резонансной структуре) с третьим атомом кислорода. Таким образом, валентность азота равна IV. Валентность водорода — I, кислорода — II.

Ответ: в молекуле $HNO_3$ нет элементов с валентностью III.

H₂O₂

В молекуле пероксида водорода ($H_2O_2$) атомы соединены в следующем порядке: H-O-O-H. Каждый атом водорода образует одну связь (валентность I), а каждый атом кислорода — две связи (валентность II).

Ответ: в молекуле $H_2O_2$ нет элементов с валентностью III.

H₂SO₄

В молекуле серной кислоты ($H_2SO_4$) атом серы образует шесть ковалентных связей: две одинарные с гидроксигруппами (-OH) и две двойные с атомами кислорода. Валентность серы равна VI. Валентность водорода — I, а кислорода — II.

Ответ: в молекуле $H_2SO_4$ нет элементов с валентностью III.

PH₃

Молекула фосфина ($PH_3$) аналогична по строению молекуле аммиака. Атом фосфора образует три одинарные ковалентные связи с тремя атомами водорода. Следовательно, валентность фосфора в фосфине равна III. Валентность водорода равна I.

Ответ: молекула $PH_3$ содержит элемент (фосфор) с валентностью III.

CO₂

В молекуле диоксида углерода ($CO_2$) атом углерода соединен с двумя атомами кислорода двойными связями (O=C=O). Углерод образует четыре связи, поэтому его валентность равна IV. Валентность кислорода равна II.

Ответ: в молекуле $CO_2$ нет элементов с валентностью III.

Таким образом, из перечисленных молекул только в $N_2$ и $PH_3$ есть элементы с валентностью III.

10.113. Среди перечисленных молекул: ${\mathrm{H}}_2,$ ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O},$ ${\mathrm{CH}}_4,$ ${\mathrm{NH}}_3,$ ${\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH},$ ${\mathrm{CH}}_3\mathrm{C}\left(\mathrm{O}\right){\mathrm{CH}}_3,$ $\mathrm{HCOOH},$ ${\mathrm{HCOOCH}}_3$ – укажите те, между которыми могут образовываться водородные связи.

Решение

Водородная связь — это особый тип межмолекулярного взаимодействия. Она возникает в том случае, если атом водорода ковалентно связан с сильноэлектроотрицательным атомом (F, O, N) и притягивается к неподеленной электронной паре другого сильноэлектроотрицательного атома в соседней молекуле (или в той же молекуле).

Для образования межмолекулярных водородных связей вещество должно состоять из молекул, которые могут быть одновременно и донорами, и акцепторами протона. Это значит, что в молекуле должен быть атом водорода, связанный с атомом F, O или N, а также атом F, O или N с неподеленной парой электронов.

Проанализируем каждое из перечисленных веществ на способность образовывать водородные связи между своими молекулами:

$H_2$ (водород): Молекула неполярна, в ней отсутствуют сильноэлектроотрицательные атомы. Водородные связи не образуются.

$H_2O$ (вода): В молекуле воды атом водорода связан с сильноэлектроотрицательным атомом кислорода (связь $O-H$ сильно поляризована). Атом кислорода имеет неподеленные электронные пары. Следовательно, молекулы воды могут образовывать между собой водородные связи.

$CH_4$ (метан): Атомы водорода связаны с атомом углерода. Связи $C-H$ являются слабополярными, и углерод не относится к сильноэлектроотрицательным элементам, способным участвовать в образовании водородных связей. Водородные связи не образуются.

$NH_3$ (аммиак): В молекуле аммиака атомы водорода связаны с сильноэлектроотрицательным атомом азота (связи $N-H$ полярны). Атом азота имеет неподеленную электронную пару. Условия для образования водородных связей выполнены.

$CH_3OH$ (метанол): В молекуле присутствует гидроксильная группа $(-OH)$, где атом водорода связан с кислородом. Это позволяет молекулам метанола образовывать водородные связи друг с другом.

$CH_3C(O)CH_3$ (ацетон): В этой молекуле все атомы водорода связаны с атомами углерода. Отсутствует атом водорода, связанный с кислородом, азотом или фтором. Поэтому молекулы ацетона не могут быть донорами протона и образовывать водородные связи между собой.

$HCOOH$ (муравьиная кислота): Молекула содержит карбоксильную группу $(-COOH)$ с атомом водорода, связанным с кислородом. Эта полярная связь $O-H$ и наличие атомов кислорода с неподеленными парами электронов обеспечивают возможность образования прочных водородных связей.

$HCOOCH_3$ (метилформиат): Это сложный эфир. Все атомы водорода в молекуле связаны с атомами углерода. Отсутствие связи $H-O$ или $H-N$ делает невозможным образование водородных связей между молекулами этого вещества.

Таким образом, водородные связи могут образовываться между молекулами следующих веществ: $H_2O$, $NH_3$, $CH_3OH$, $HCOOH$.

Ответ: $H_2O$, $NH_3$, $CH_3OH$, $HCOOH$.

10.114. Приведите по два примера молекул, в которых атомы имеют заданную валентность. Заполните таблицу.

Атом: Cl, Валентность: I

Хлор (Cl) является галогеном и в соединениях с менее электроотрицательными элементами, такими как водород или металлы, а также в двухатомной молекуле хлора, проявляет валентность I. Это означает, что атом хлора образует одну химическую связь.

1. Хлороводород - $HCl$. Атом водорода всегда одновалентен, следовательно, атом хлора, связанный с ним, также имеет валентность I.

2. Хлорид калия - $KCl$. Калий — щелочной металл, его валентность постоянна и равна I. Следовательно, валентность хлора в этом соединении также равна I.

Ответ: $HCl$, $KCl$.

Атом: S, Валентность: II

Сера (S) находится в 16-й группе (VI-A) периодической системы, как и кислород. Ее низшая валентность равна II. Эту валентность она проявляет в соединениях с водородом (сероводород) и с большинством металлов (сульфиды).

1. Сероводород - $H_2S$. Валентность водорода равна I. Два атома водорода образуют связи с одним атомом серы, поэтому валентность серы равна $2 \times I = II$.

2. Сульфид железа(II) - $FeS$. В данном соединении железо имеет валентность II, следовательно, для образования устойчивой молекулы сера также должна быть двухвалентна.

Ответ: $H_2S$, $FeS$.

Атом: B, Валентность: III

Бор (B) — элемент 13-й группы (III-A), для которого наиболее характерна валентность III, так как на его внешнем энергетическом уровне находятся 3 валентных электрона, которые он использует для образования связей.

1. Оксид бора - $B_2O_3$. Валентность кислорода равна II. Суммарная валентность трех атомов кислорода составляет $3 \times II = VI$. Эта валентность распределяется между двумя атомами бора, поэтому валентность каждого атома бора равна $VI / 2 = III$.

2. Фторид бора - $BF_3$. Валентность фтора равна I. Три атома фтора связаны с одним атомом бора, следовательно, валентность бора равна $3 \times I = III$.

Ответ: $B_2O_3$, $BF_3$.

Атом: O, Валентность: III

Кислород (O) почти всегда проявляет валентность II. Валентность III для кислорода является редкой и встречается в частицах, где атом кислорода образует три химические связи, как правило, за счет образования донорно-акцепторной связи.

1. Оксид углерода(II) (угарный газ) - $CO$. В молекуле угарного газа атомы углерода и кислорода соединены тройной связью ($C \equiv O$), одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму от атома кислорода. Таким образом, атом кислорода образует три связи, и его валентность равна III.

2. Молекула озона - $O_3$. В молекуле озона центральный атом кислорода связан с двумя другими атомами кислорода (одной одинарной и одной двойной связью). Общее число связей, образованных центральным атомом, равно трем, и его валентность равна III.

Ответ: $CO$, $O_3$.

Атом: P, Валентность: III

Фосфор (P) — элемент 15-й группы (V-A). Он часто проявляет валентность III, используя для образования связей три неспаренных p-электрона своего внешнего энергетического уровня.

1. Фосфин - $PH_3$. Аналогично аммиаку ($NH_3$), фосфор образует три ковалентные связи с тремя атомами водорода (валентность I), поэтому валентность фосфора равна III.

2. Хлорид фосфора(III) - $PCl_3$. Фосфор образует три одинарные ковалентные связи с тремя атомами хлора (валентность I), следовательно, валентность фосфора равна $3 \times I = III$.

Ответ: $PH_3$, $PCl_3$.

Атом: N, Валентность: IV

Азот (N) не может проявлять валентность V (в отличие от фосфора) из-за отсутствия d-подуровня на втором энергетическом уровне. Однако он может проявлять валентность IV, образуя три ковалентные связи по обменному механизму и одну по донорно-акцепторному.

1. Азотная кислота - $HNO_3$. В структуре азотной кислоты атом азота связан с тремя атомами кислорода. Анализ строения показывает, что азот образует четыре связи (две с одним кислородом, по одной с двумя другими), поэтому его валентность равна IV.

2. Тетраоксид диазота - $N_2O_4$. В молекуле $O_2N-NO_2$ каждый атом азота связан с двумя атомами кислорода и другим атомом азота. Всего каждый атом азота образует четыре связи, и его валентность равна IV.

Ответ: $HNO_3$, $N_2O_4$.

Атом: S, Валентность: IV

Сера (S) может проявлять валентность IV за счет возбуждения атома, когда одна пара валентных электронов распаривается и один электрон переходит на свободную d-орбиталь. В результате атом серы может образовать четыре химические связи.

1. Оксид серы(IV) (сернистый газ) - $SO_2$. Валентность кислорода равна II. Чтобы суммарная валентность двух атомов кислорода ($2 \times II = IV$) была скомпенсирована, атом серы должен иметь валентность IV.

2. Тетрафторид серы - $SF_4$. Валентность фтора равна I. Четыре атома фтора образуют связи с одним атомом серы, следовательно, валентность серы равна $4 \times I = IV$.

Ответ: $SO_2$, $SF_4$.

Атом: P, Валентность: V

Высшая валентность фосфора (P) равна V, что соответствует номеру его группы. Она реализуется при переходе атома в возбужденное состояние, когда все пять валентных электронов (с 3s- и 3p-подуровней) участвуют в образовании связей.

1. Оксид фосфора(V) - $P_2O_5$. Валентность кислорода равна II. Суммарная валентность пяти атомов кислорода составляет $5 \times II = X$. Эта валентность распределяется между двумя атомами фосфора, поэтому валентность каждого — $X / 2 = V$.

2. Ортофосфорная кислота - $H_3PO_4$. В молекуле этой кислоты атом фосфора образует 5 связей: одну двойную с атомом кислорода и три одинарные с гидроксильными группами (-OH). Таким образом, его валентность равна V.

Ответ: $P_2O_5$, $H_3PO_4$.

Атом: S, Валентность: VI

Высшая валентность серы (S) равна VI, что соответствует номеру ее группы (16-я). Эта валентность проявляется в соединениях с наиболее электроотрицательными элементами (кислородом, фтором) при участии всех шести валентных электронов в образовании связей.

1. Оксид серы(VI) (серный ангидрид) - $SO_3$. Валентность кислорода равна II. Чтобы скомпенсировать суммарную валентность трех атомов кислорода ($3 \times II = VI$), атом серы должен быть шестивалентным.

2. Серная кислота - $H_2SO_4$. В молекуле серной кислоты атом серы образует 6 связей: две двойные с атомами кислорода и две одинарные с гидроксильными группами (-OH). Его валентность равна VI.

Ответ: $SO_3$, $H_2SO_4$.

Атом: Cl, Валентность: VII

Высшая валентность хлора (Cl) равна VII, что соответствует номеру его группы (17-я). Она проявляется в соединениях с кислородом, где хлор использует все семь своих валентных электронов для образования химических связей.

1. Оксид хлора(VII) - $Cl_2O_7$. Валентность кислорода равна II. Суммарная валентность семи атомов кислорода составляет $7 \times II = XIV$. Эта валентность распределяется между двумя атомами хлора, поэтому валентность каждого — $XIV / 2 = VII$.

2. Хлорная кислота - $HClO_4$. В этой кислоте атом хлора связан с четырьмя атомами кислорода. Структурный анализ показывает, что хлор образует семь связей (три двойные с атомами O и одну одинарную с группой -OH). Следовательно, его валентность равна VII.

Ответ: $Cl_2O_7$, $HClO_4$.