Страница 268 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.115. Молекула неизвестного вещества содержит столько же электронов, сколько ион кальция ${\mathrm{Ca}}^{2+}.$ Найдите самую лёгкую из таких молекул. Напишите её формулу и рассчитайте массу в граммах и в атомных единицах массы.

Дано:

Число электронов в молекуле ($N_e(\text{молекулы})$) равно числу электронов в ионе кальция ($N_e(\text{Ca}^{2+})$).
Число Авогадро $N_A = 6.022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$.
Относительные атомные массы (округленные): $A_r(\text{H}) = 1$, $A_r(\text{C}) = 12$, $A_r(\text{N}) = 14$, $A_r(\text{O}) = 16$, $A_r(\text{F}) = 19$, $A_r(\text{Si}) = 28$, $A_r(\text{P}) = 31$, $A_r(\text{S}) = 32$.

Найти:

1. Формулу самой легкой молекулы.
2. Массу этой молекулы в атомных единицах массы (а.е.м.).
3. Массу этой молекулы в граммах (г).

Решение:

1. Сначала определим количество электронов в ионе кальция $Ca^{2+}$. Порядковый номер кальция (Ca) в Периодической системе равен 20. Это означает, что нейтральный атом кальция содержит 20 протонов и 20 электронов. Ион $Ca^{2+}$ образуется при потере двух электронов, следовательно, он содержит $20 - 2 = 18$ электронов.

2. Теперь нам нужно найти самую легкую молекулу, которая также содержит 18 электронов. Масса молекулы — это сумма масс составляющих ее атомов. Чтобы найти самую легкую молекулу, будем комбинировать атомы самых легких элементов (в начале Периодической системы) так, чтобы общее число электронов равнялось 18, а суммарная масса была минимальной.

Рассмотрим несколько возможных молекул-кандидатов:

- Фтор ($F_2$): Атом фтора (F, №9) имеет 9 электронов. Молекула $F_2$ содержит $2 \cdot 9 = 18$ электронов. Ее относительная молекулярная масса $M_r(F_2) \approx 2 \cdot 19 = 38$ а.е.м.
- Пероксид водорода ($H_2O_2$): Кислород (O, №8) имеет 8 электронов, водород (H, №1) — 1 электрон. Молекула $H_2O_2$ содержит $2 \cdot 8 + 2 \cdot 1 = 18$ электронов. Ее масса $M_r(H_2O_2) \approx 2 \cdot 16 + 2 \cdot 1 = 34$ а.е.м.
- Сероводород ($H_2S$): Сера (S, №16) имеет 16 электронов. Молекула $H_2S$ содержит $16 + 2 \cdot 1 = 18$ электронов. Ее масса $M_r(H_2S) \approx 32 + 2 \cdot 1 = 34$ а.е.м.
- Фосфин ($PH_3$): Фосфор (P, №15) имеет 15 электронов. Молекула $PH_3$ содержит $15 + 3 \cdot 1 = 18$ электронов. Ее масса $M_r(PH_3) \approx 31 + 3 \cdot 1 = 34$ а.е.м.
- Силан ($SiH_4$): Кремний (Si, №14) имеет 14 электронов. Молекула $SiH_4$ содержит $14 + 4 \cdot 1 = 18$ электронов. Ее масса $M_r(SiH_4) \approx 28 + 4 \cdot 1 = 32$ а.е.м.
- Гидразин ($N_2H_4$): Азот (N, №7) имеет 7 электронов. Молекула $N_2H_4$ содержит $2 \cdot 7 + 4 \cdot 1 = 18$ электронов. Ее масса $M_r(N_2H_4) \approx 2 \cdot 14 + 4 \cdot 1 = 32$ а.е.м.
- Метанол ($CH_3OH$): Углерод (C, №6) имеет 6 электронов. Молекула $CH_3OH$ (или $CH_4O$) содержит $6 + 4 \cdot 1 + 16 = 18$ электронов. Ее масса $M_r(CH_3OH) \approx 12 + 4 \cdot 1 + 16 = 32$ а.е.м.

3. Молекулы $SiH_4$, $N_2H_4$ и $CH_3OH$ имеют одинаковую наименьшую целочисленную массу (32 а.е.м.). Чтобы выбрать самую легкую, необходимо использовать более точные значения атомных масс.

- $M_r(SiH_4) = 28.085 + 4 \cdot 1.008 = 32.117$ а.е.м.
- $M_r(N_2H_4) = 2 \cdot 14.007 + 4 \cdot 1.008 = 32.046$ а.е.м.
- $M_r(CH_3OH) = 12.011 + 4 \cdot 1.008 + 15.999 = 32.042$ а.е.м.

Сравнение показывает, что самой легкой из этих молекул является метанол, $CH_3OH$.

4. Рассчитаем массу одной молекулы метанола.

- Масса в атомных единицах массы (а.е.м.):
Относительная молекулярная масса метанола, рассчитанная по округленным атомным массам, равна: $M_r(CH_3OH) = 12 + 4 \cdot 1 + 16 = 32$ а.е.м.

- Масса в граммах (г):
Массу одной молекулы можно найти, разделив молярную массу вещества (в г/моль) на число Авогадро ($N_A$). Молярная масса метанола численно равна его относительной молекулярной массе, то есть $M(CH_3OH) \approx 32$ г/моль.

$m(\text{молекулы}) = \frac{M}{N_A} = \frac{32 \text{ г/моль}}{6.022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}} \approx 5.314 \cdot 10^{-23} \text{ г}$

Ответ: Самая легкая из таких молекул — метанол. Ее формула — $CH_3OH$. Масса молекулы составляет 32 а.е.м. (атомных единиц массы) или примерно $5.314 \cdot 10^{-23}$ г.

10.116. Молекула неизвестного вещества содержит столько же электронов, сколько хлорид-ион. Найдите самую тяжёлую из таких молекул. Напишите её формулу и рассчитайте массу в граммах и в атомных единицах массы.

Дано:

Число электронов в молекуле неизвестного вещества $N_e(молекула)$ равно числу электронов в хлорид-ионе $N_e(Cl^-)$.

Постоянная Авогадро $N_A = 6.022 \times 10^{23} \text{ моль}^{-1}$.

Относительные атомные массы (округленные): $Ar(F) = 19.00$, $Ar(Cl) = 35.45$, $Ar(H) = 1.01$, $Ar(S) = 32.07$.

Найти:

1. Формулу самой тяжелой из таких молекул.

2. Массу этой молекулы в атомных единицах массы (а.е.м.).

3. Массу этой молекулы в граммах (г).

Решение:

1. Сначала определим количество электронов в хлорид-ионе ($Cl^-$). Атом хлора (Cl) имеет порядковый номер 17 в периодической системе, следовательно, в нейтральном атоме хлора содержится 17 протонов и 17 электронов. Хлорид-ион $Cl^-$ образуется, когда атом хлора принимает один дополнительный электрон.

$N_e(Cl^-) = N_e(Cl) + 1 = 17 + 1 = 18$ электронов.

Таким образом, искомая молекула также должна содержать 18 электронов. Число электронов в нейтральной молекуле равно сумме порядковых номеров (зарядов ядер) всех атомов, входящих в её состав.

2. Теперь найдем возможные молекулы, содержащие 18 электронов, и сравним их массы. Чтобы молекула была самой тяжелой, она должна состоять из наиболее тяжелых атомов. Масса атомов, в общем случае, растет с увеличением их порядкового номера.

Рассмотрим несколько вариантов стабильных молекул, сумма порядковых номеров атомов в которых равна 18:

• Молекула фтора ($F_2$): фтор имеет порядковый номер 9. В молекуле $F_2$ два атома, общее число электронов $9 + 9 = 18$.
• Молекула хлороводорода ($HCl$): водород (№1) и хлор (№17). Общее число электронов $1 + 17 = 18$.
• Молекула сероводорода ($H_2S$): два атома водорода (№1) и один атом серы (№16). Общее число электронов $2 \times 1 + 16 = 18$.
• Молекула этана ($C_2H_6$): два атома углерода (№6) и шесть атомов водорода (№1). Общее число электронов $2 \times 6 + 6 \times 1 = 18$.

3. Рассчитаем относительные молекулярные массы ($Mr$) этих молекул, чтобы найти самую тяжелую.

• $Mr(F_2) = 2 \times Ar(F) = 2 \times 19.00 = 38.00$ а.е.м.
• $Mr(HCl) = Ar(H) + Ar(Cl) = 1.01 + 35.45 = 36.46$ а.е.м.
• $Mr(H_2S) = 2 \times Ar(H) + Ar(S) = 2 \times 1.01 + 32.07 = 34.09$ а.е.м.
• $Mr(C_2H_6) = 2 \times Ar(C) + 6 \times Ar(H) = 2 \times 12.01 + 6 \times 1.01 = 24.02 + 6.06 = 30.08$ а.е.м.

Сравнивая полученные массы, видим, что самой тяжелой из перечисленных молекул является молекула фтора ($F_2$).

4. Рассчитаем массу одной молекулы $F_2$.

Масса в атомных единицах массы (а.е.м.):

Масса молекулы в а.е.м. численно равна ее относительной молекулярной массе.

$m(F_2) = 38.00$ а.е.м.

Масса в граммах (г):

Массу одной молекулы в граммах можно найти, разделив молярную массу вещества ($M$) на число Авогадро ($N_A$). Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе и имеет размерность г/моль.

$M(F_2) = 38.00$ г/моль.

$m(F_2) = \frac{M(F_2)}{N_A} = \frac{38.00 \text{ г/моль}}{6.022 \times 10^{23} \text{ моль}^{-1}} \approx 6.31 \times 10^{-23}$ г.

Ответ:

Самая тяжелая из таких молекул – это молекула фтора.
Её формула: $F_2$.
Масса в атомных единицах массы: $38.00$ а.е.м.
Масса в граммах: $6.31 \times 10^{-23}$ г.

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

Решение

1. Состав и заряд иона. Ион содержит один атом алюминия (Al) и четыре атома хлора (Cl). Алюминий является элементом 13-й группы периодической таблицы, его наиболее устойчивая степень окисления +3. Хлор — элемент 17-й группы, в хлоридах его степень окисления равна -1. Для определения заряда иона сложим степени окисления всех входящих в него атомов: $ (+3) + 4 \times (-1) = 3 - 4 = -1 $. Следовательно, ион является анионом с зарядом -1. Его формула — $[AlCl_4]^−$. Этот ион образуется, например, при взаимодействии хлорида алюминия ($AlCl_3$), который является кислотой Льюиса (акцептором электронной пары), с ионом хлора $Cl^−$, который является основанием Льюиса (донором электронной пары): $AlCl_3 + Cl^− \rightarrow [AlCl_4]^−$.

2. Структура и валентность. В ионе $[AlCl_4]^−$ центральным атомом является алюминий, как наименее электроотрицательный элемент. Он образует четыре ковалентные полярные связи с четырьмя атомами хлора. В результате образования иона все четыре связи Al–Cl становятся равноценными. Валентность — это число химических связей, которые образует атом. Атом алюминия образует четыре связи, значит, его валентность равна IV. Каждый атом хлора образует одну связь с атомом алюминия, следовательно, валентность хлора равна I.

3. Геометрия и углы между связями. Для предсказания геометрической формы иона воспользуемся теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

• Центральный атом — алюминий (Al).
• Число атомов, связанных с центральным атомом (сигма-связей), равно 4.
• Число неподеленных электронных пар на центральном атоме: атом алюминия имеет 3 валентных электрона. Для образования четырех связей он использует эти 3 электрона, а также один дополнительный электрон, который придает иону отрицательный заряд. Таким образом, все 4 валентных электрона алюминия в ионе участвуют в образовании связей, и неподеленных электронных пар на центральном атоме нет.

Ответ:

Структурная формула иона, содержащего один атом алюминия и четыре атома хлора: ион имеет формулу $[AlCl_4]^−$. Структурно это можно представить как центральный атом алюминия, связанный с четырьмя атомами хлора, расположенными в вершинах тетраэдра.

Заряд иона: заряд иона равен -1.

Валентности элементов: валентность алюминия (Al) — IV, валентность хлора (Cl) — I.

Геометрическая форма иона и угол между связями в нём: геометрическая форма иона — тетраэдрическая. Угол между связями Cl–Al–Cl составляет $109,5^\circ$.

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 $109.5^\circ$.

10.119. Составьте электронные формулы (структуры Льюиса) следующих молекул:$\mathrm{а}) {\mathrm{H}}_2\mathrm{O};$ $\mathrm{б}) {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2;$ $\mathrm{в}) {\mathrm{CO}}_2;$ $\mathrm{г}) {\mathrm{COF}}_2;$ $\mathrm{д}) {\mathrm{NF}}_3;$ е) NOCl; $\mathrm{ж}) {\mathrm{HNO}}_2;$ $\mathrm{з}) {\mathrm{OF}}_2;$ $\mathrm{и}) {\mathrm{SO}}_2;$ $\mathrm{к}) {\mathrm{SO}}_3;$ $\mathrm{л}) {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4;$ $\mathrm{м}) {\mathrm{CH}}_2\mathrm{O};$ н) HCN. Для каждой молекулы определите валентности всех атомов, геометрическую форму и полярность.

а) $H_2O$ (Вода)

Электронная формула (структура Льюиса): Атом кислорода является центральным. Он образует две одинарные ковалентные связи с двумя атомами водорода. У атома кислорода также есть две неподеленные электронные пары. Структура: $H-\ddot{O}-H$.

Валентности атомов: Валентность кислорода (O) равна II, валентность водорода (H) равна I.

Геометрическая форма: Центральный атом кислорода имеет две связывающие и две неподеленные электронные пары. Всего четыре электронные области, что соответствует тетраэдрической электронной геометрии. Молекулярная геометрия, учитывающая только атомы, является угловой (или изогнутой). Валентный угол $H-O-H$ составляет примерно $104.5^\circ$.

Полярность: Связь $O-H$ полярна из-за разницы в электроотрицательности кислорода и водорода. Так как молекула имеет асимметричную угловую форму, дипольные моменты связей не компенсируют друг друга. Молекула в целом полярна.

Ответ: Структура Льюиса $H-\ddot{O}-H$, валентности O(II), H(I), угловая форма, полярная молекула.

б) $H_2O_2$ (Пероксид водорода)

Электронная формула (структура Льюиса): Атомы кислорода связаны между собой одинарной связью, и каждый из них связан с одним атомом водорода. У каждого атома кислорода есть по две неподеленные электронные пары. Структура: $H-\ddot{O}-\ddot{O}-H$.

Валентности атомов: Валентность кислорода (O) равна II, валентность водорода (H) равна I.

Геометрическая форма: Каждый атом кислорода имеет по две связывающие и две неподеленные электронные пары, что приводит к угловой геометрии вокруг каждого атома кислорода. Молекула не является плоской; она имеет "открытую" или скошенную (гош-конформация) структуру, где плоскости $H-O-O$ и $O-O-H$ образуют двугранный угол.

Полярность: Связь $O-O$ неполярна, а связи $O-H$ полярны. Из-за неплоской, асимметричной структуры дипольные моменты связей $O-H$ не уравновешиваются. Молекула полярна.

Ответ: Структура Льюиса $H-\ddot{O}-\ddot{O}-H$, валентности O(II), H(I), скошенная форма, полярная молекула.

в) $CO_2$ (Диоксид углерода)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом углерода образует две двойные связи с двумя атомами кислорода. У каждого атома кислорода есть по две неподеленные электронные пары. Структура: $\ddot{O}=C=\ddot{O}$.

Валентности атомов: Валентность углерода (C) равна IV, валентность кислорода (O) равна II.

Геометрическая форма: Центральный атом углерода имеет две области двойных связей и не имеет неподеленных пар. Это приводит к линейной геометрии молекулы с валентным углом $O-C-O$ в $180^\circ$.

Полярность: Связь $C=O$ полярна, но поскольку молекула линейна и симметрична, два дипольных момента связей направлены в противоположные стороны и полностью компенсируют друг друга. Молекула неполярна.

Ответ: Структура Льюиса $\ddot{O}=C=\ddot{O}$, валентности C(IV), O(II), линейная форма, неполярная молекула.

г) $COF_2$ (Карбонилфторид)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом углерода связан двойной связью с атомом кислорода и двумя одинарными связями с атомами фтора. У атома кислорода две неподеленные пары, а у каждого атома фтора — по три.

Валентности атомов: Валентность углерода (C) равна IV, кислорода (O) — II, фтора (F) — I.

Геометрическая форма: Центральный атом углерода образует три связи (одна двойная и две одинарные) и не имеет неподеленных пар. Электронные области располагаются в одной плоскости, образуя тригональную плоскую геометрию с углами около $120^\circ$.

Полярность: Все связи ($C=O$ и $C-F$) полярны. Молекула асимметрична, так как атом кислорода и атомы фтора создают дипольные моменты разной величины. Векторная сумма дипольных моментов не равна нулю. Молекула полярна.

Ответ: Структура Льюиса с центральным C, двойной связью с O и одинарными с двумя F; валентности C(IV), O(II), F(I); тригональная плоская форма; полярная молекула.

д) $NF_3$ (Трифторид азота)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом азота образует три одинарные связи с атомами фтора и имеет одну неподеленную электронную пару. У каждого атома фтора есть по три неподеленные пары.

Валентности атомов: Валентность азота (N) равна III, фтора (F) — I.

Геометрическая форма: Центральный атом азота имеет три связывающие и одну неподеленную электронную пару (всего 4 электронные области). Электронная геометрия — тетраэдрическая, а молекулярная форма — тригональная пирамидальная.

Полярность: Связи $N-F$ полярны. Из-за пирамидальной формы и наличия неподеленной электронной пары дипольные моменты связей не компенсируются. Молекула полярна.

Ответ: Структура Льюиса с центральным N, тремя связями с F и одной неподеленной парой на N; валентности N(III), F(I); тригональная пирамидальная форма; полярная молекула.

е) $NOCl$ (Хлорид нитрозила)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральным атомом является азот. Он связан двойной связью с кислородом и одинарной связью с хлором. Атом азота также имеет одну неподеленную электронную пару. Структура: $\ddot{O}=\ddot{N}-\ddot{Cl}:$.

Валентности атомов: Валентность азота (N) равна III, кислорода (O) — II, хлора (Cl) — I.

Геометрическая форма: Центральный атом азота имеет две связывающие области и одну неподеленную пару. Это приводит к угловой (изогнутой) геометрии.

Полярность: Обе связи ($N=O$ и $N-Cl$) полярны. Молекула имеет угловую, асимметричную форму, поэтому дипольные моменты связей не компенсируются. Молекула полярна.

Ответ: Структура Льюиса $\ddot{O}=\ddot{N}-\ddot{Cl}:$, валентности N(III), O(II), Cl(I), угловая форма, полярная молекула.

ж) $HNO_2$ (Азотистая кислота)

Электронная формула (структура Льюиса): Атом водорода связан с одним из атомов кислорода, который, в свою очередь, связан с центральным атомом азота. Второй атом кислорода связан с азотом двойной связью. На атоме азота есть одна неподеленная пара. Структура: $H-\ddot{O}-\ddot{N}=\ddot{O}$. Существуют цис- и транс-изомеры.

Валентности атомов: Валентность водорода (H) — I, кислорода (O) — II, азота (N) — III.

Геометрическая форма: Геометрия вокруг центрального атома азота (2 связи, 1 неподеленная пара) — угловая. Геометрия вокруг атома кислорода в группе $O-H$ (2 связи, 2 неподеленные пары) также угловая. Вся молекула плоская, но имеет изогнутую цепь атомов.

Полярность: Все связи в молекуле ($O-H$, $O-N$, $N=O$) полярны. Из-за асимметричной изогнутой формы дипольные моменты не уравновешивают друг друга. Молекула полярна.

Ответ: Структура Льюиса $H-\ddot{O}-\ddot{N}=\ddot{O}$, валентности H(I), O(II), N(III), угловая/изогнутая форма, полярная молекула.

з) $OF_2$ (Дифторид кислорода)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом кислорода связан с двумя атомами фтора одинарными связями. На атоме кислорода есть две неподеленные электронные пары. Структура: $: \ddot{F}-\ddot{O}-\ddot{F}:$.

Валентности атомов: Валентность кислорода (O) равна II, фтора (F) — I.

Геометрическая форма: Аналогично молекуле воды, центральный атом кислорода имеет две связывающие и две неподеленные пары. Молекулярная геометрия — угловая (изогнутая).

Полярность: Связь $O-F$ полярна (фтор более электроотрицателен, чем кислород). Из-за угловой формы дипольные моменты связей не компенсируются. Молекула полярна.

Ответ: Структура Льюиса $: \ddot{F}-\ddot{O}-\ddot{F}:$, валентности O(II), F(I), угловая форма, полярная молекула.

и) $SO_2$ (Диоксид серы)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом серы связан с двумя атомами кислорода. Структуру можно описать с помощью резонанса между двумя формами: $\ddot{O}=\ddot{S}-\ddot{O}:^-$ $\leftrightarrow$ $:\ddot{O}^--\ddot{S}=\ddot{O}$. На атоме серы есть одна неподеленная электронная пара. Обе связи $S-O$ эквивалентны и имеют порядок 1.5.

Валентности атомов: Валентность серы (S) принимается равной IV, валентность кислорода (O) — II.

Геометрическая форма: Центральный атом серы имеет две связывающие области и одну неподеленную пару. Это приводит к угловой (изогнутой) геометрии, подобно $NO_2^-$.

Полярность: Связь $S-O$ полярна. Из-за угловой формы дипольные моменты связей не компенсируют друг друга. Молекула полярна.

Ответ: Резонансная структура с центральным S, двумя O и неподеленной парой на S; валентности S(IV), O(II); угловая форма; полярная молекула.

к) $SO_3$ (Триоксид серы)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом серы образует связи с тремя атомами кислорода. Для минимизации формальных зарядов сера (элемент 3-го периода) расширяет свою октетную оболочку, образуя три двойные связи с атомами кислорода. $\ddot{O}=S(=\ddot{O})=\ddot{O}$. Другое описание — резонанс с одной двойной и двумя одинарными связями.

Валентности атомов: Валентность серы (S) равна VI, кислорода (O) — II.

Геометрическая форма: Центральный атом серы имеет три области двойных связей и не имеет неподеленных пар. Геометрия молекулы — тригональная плоская, с углами $O-S-O$ в $120^\circ$.

Полярность: Связи $S=O$ полярны, но из-за высокой симметрии тригональной плоской структуры три дипольных момента связей взаимно компенсируются. Молекула неполярна.

Ответ: Структура с центральным S и тремя двойными связями с O; валентности S(VI), O(II); тригональная плоская форма; неполярная молекула.

л) $C_2H_4$ (Этилен)

Электронная формула (структура Льюиса): Два атома углерода соединены двойной связью. Каждый атом углерода также связан с двумя атомами водорода. Структура: $H_2C=CH_2$.

Валентности атомов: Валентность углерода (C) равна IV, водорода (H) — I.

Геометрическая форма: Каждый атом углерода имеет три связывающие области (одна двойная, две одинарные) и не имеет неподеленных пар. Геометрия вокруг каждого атома углерода — тригональная плоская. Вся молекула является плоской.

Полярность: Связь $C-C$ неполярна. Связь $C-H$ имеет очень низкую полярность и часто рассматривается как неполярная. Молекула симметрична, поэтому любые незначительные дипольные моменты компенсируются. Молекула в целом неполярна.

Ответ: Структура $H_2C=CH_2$, валентности C(IV), H(I), плоская форма, неполярная молекула.

м) $CH_2O$ (Формальдегид)

Электронная формула (структура Льюиса): Центральный атом углерода связан двойной связью с атомом кислорода и одинарными связями с двумя атомами водорода. На атоме кислорода две неподеленные пары. Структура: $H_2C=\ddot{O}$.

Валентности атомов: Валентность углерода (C) равна IV, кислорода (O) — II, водорода (H) — I.

Геометрическая форма: Центральный атом углерода имеет три связывающие области и не имеет неподеленных пар. Геометрия молекулы — тригональная плоская.

Полярность: Связь $C=O$ сильно полярна, а связи $C-H$ слабо полярны. Молекула асимметрична. Суммарный дипольный момент не равен нулю, он направлен вдоль оси симметрии молекулы в сторону атома кислорода. Молекула полярна.

Ответ: Структура $H_2C=\ddot{O}$, валентности C(IV), O(II), H(I), тригональная плоская форма, полярная молекула.

н) $HCN$ (Циановодород)

Электронная формула (структура Льюиса): Атом водорода связан с атомом углерода, который, в свою очередь, связан тройной связью с атомом азота. На атоме азота есть одна неподеленная электронная пара. Структура: $H-C\equiv\ddot{N}$.

Валентности атомов: Валентность водорода (H) равна I, углерода (C) — IV, азота (N) — III.

Геометрическая форма: Центральный атом углерода образует две связи (одинарную и тройную) и не имеет неподеленных пар. Молекула имеет линейную геометрию.

Полярность: Обе связи ($H-C$ и $C\equiv N$) полярны. Поскольку молекула линейна, а дипольные моменты обеих связей направлены в одну сторону (в сторону более электроотрицательного азота), они складываются. Молекула полярна.

Ответ: Структура $H-C\equiv\ddot{N}$, валентности H(I), C(IV), N(III), линейная форма, полярная молекула.

10.120. Химический элемент образует отрицательный ион с электронной конфигурацией неона. Для элемента известно несколько кислородсодержащих кислот. Определите элемент, запишите его электронную конфигурацию в основном состоянии. Составьте структурную формулу одной из его кислот, найдите валентность и степень окисления элемента в этой кислоте.

Дано:

Анион химического элемента (X) имеет электронную конфигурацию неона ($1s^2 2s^2 2p^6$).

Элемент X образует несколько кислородсодержащих кислот.

Найти:

Определить элемент X, записать его электронную конфигурацию в основном состоянии, составить структурную формулу одной из его кислот, найти валентность и степень окисления X в этой кислоте.

Решение:

Определите элемент, запишите его электронную конфигурацию в основном состоянии.

Электронная конфигурация благородного газа неона (Ne, порядковый номер Z=10) — $1s^2 2s^2 2p^6$. Отрицательный ион искомого элемента имеет такую же конфигурацию, то есть содержит 10 электронов. Поскольку ион отрицательный, он был образован путем присоединения одного или нескольких электронов к нейтральному атому. Следовательно, сам элемент имеет менее 10 электронов (и протонов). Элементами, образующими анионы с электронной конфигурацией неона, являются неметаллы 2-го периода: азот (N, Z=7, ион $N^{3-}$), кислород (O, Z=8, ион $O^{2-}$) и фтор (F, Z=9, ион $F^{-}$).

Согласно второму условию, для элемента известно «несколько кислородсодержащих кислот». Из перечисленных кандидатов этому условию удовлетворяет только азот, который образует азотную кислоту ($HNO_3$), азотистую кислоту ($HNO_2$), азотноватистую кислоту ($H_2N_2O_2$) и другие. Фтор образует лишь одну такую кислоту (HOF), а кислород не образует кислот, где он является центральным атомом.

Таким образом, искомый элемент — азот (N).

Порядковый номер азота — 7. Его электронная конфигурация в основном состоянии: $1s^2 2s^2 2p^3$.

Ответ: Искомый элемент – азот (N). Его электронная конфигурация в основном состоянии – $1s^2 2s^2 2p^3$.

Составьте структурную формулу одной из его кислот, найдите валентность и степень окисления элемента в этой кислоте.

Рассмотрим в качестве примера одну из самых известных кислот азота — азотную кислоту ($HNO_3$).

Структурная формула азотной кислоты может быть записана как H–O–N(=O)→O. В этой структуре атом азота связан с тремя атомами кислорода: с одним через гидроксильную группу (–OH), со вторым — двойной связью, с третьим — донорно-акцепторной связью.

Валентность элемента определяется числом образованных им химических связей. В молекуле $HNO_3$ атом азота образует 4 связи (одну одинарную, одну двойную и одну донорно-акцепторную). Следовательно, валентность азота в азотной кислоте равна IV.

Степень окисления элемента — это условный заряд. В молекуле $HNO_3$ степени окисления водорода +1, а кислорода –2. Обозначим степень окисления азота как x. Так как молекула электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю:

$(+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0 \implies 1 + x - 6 = 0 \implies x = +5$

Следовательно, степень окисления азота в азотной кислоте равна +5.

Ответ: Для азотной кислоты ($HNO_3$) структурная формула H–O–N(=O)→O, валентность азота – IV, степень окисления азота – +5.

10.121. Атом химического элемента-неметалла имеет один неспаренный электрон в основном состоянии. Для элемента известно несколько кислородсодержащих кислот. Определите элемент, запишите его электронную конфигурацию в основном состоянии. Составьте структурную формулу одной из кислородсодержащих кислот этого элемента и определите геометрическую форму молекулы данной кислоты.

Решение

Определение элемента

Атомы химических элементов-неметаллов, имеющие один неспаренный электрон в основном состоянии, как правило, являются галогенами — элементами 17-й группы периодической системы. Электронная конфигурация их внешнего энергетического уровня — $ns^2np^5$. На p-подуровне, состоящем из трех орбиталей, электроны распределяются по правилу Хунда и принципу Паули, что приводит к конфигурации с одним неспаренным электроном: $np_x^2 np_y^2 np_z^1$.

К галогенам-неметаллам относятся фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) и иод (I). Согласно условию, элемент образует несколько кислородсодержащих кислот. Этому условию удовлетворяют хлор, бром и иод, которые могут проявлять различные положительные степени окисления и образовывать ряды кислот (например, для хлора: $HClO$, $HClO_2$, $HClO_3$, $HClO_4$). Фтор, как самый электроотрицательный элемент, образует только одну кислородсодержащую кислоту $HOF$ (гипофторитную), где его степень окисления равна -1, что является исключением. В качестве наиболее типичного представителя выберем хлор (Cl).

Ответ: Искомый элемент — хлор (Cl).

Электронная конфигурация элемента в основном состоянии

Хлор (Cl) — элемент 3-го периода, 17-й группы. Его порядковый номер Z = 17. Атом хлора содержит 17 протонов и 17 электронов. Электронная конфигурация атома хлора в основном (невозбужденном) состоянии:

$1s^22s^22p^63s^23p^5$

Ответ: Электронная конфигурация хлора: $1s^22s^22p^63s^23p^5$.

Структурная формула одной из кислородсодержащих кислот этого элемента

Рассмотрим хлорную кислоту ($HClO_4$) — одну из кислородсодержащих кислот хлора, где он проявляет свою высшую степень окисления +7. В молекуле этой кислоты центральным атомом является атом хлора, который связан одинарной ковалентной связью с гидроксильной группой (–OH) и тремя двойными связями с остальными атомами кислорода.

Структурная формула хлорной кислоты выглядит следующим образом:

O
║
H — O — Cl = O
║
O

Ответ: Структурная формула хлорной кислоты ($HClO_4$) может быть представлена в виде H—O—Cl(=O)₃.

Геометрическая форма молекулы данной кислоты

Геометрическую форму молекулы хлорной кислоты ($HClO_4$) можно определить с помощью теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

1. Центральный атом — хлор (Cl).
2. Атом хлора образует 4 связи с четырьмя атомами кислорода. Двойные и одинарные связи для определения геометрии считаются одним электронным доменом.
3. Неподеленных электронных пар на валентной оболочке атома хлора нет (все 7 валентных электронов участвуют в образовании связей).
4. Таким образом, вокруг центрального атома хлора находится 4 электронных домена, и все они являются связывающими (тип молекулы $AX_4$).
5. Четыре электронных домена располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга, что соответствует тетраэдрической геометрии. Атомы кислорода находятся в вершинах тетраэдра, а атом хлора — в его центре.

Ответ: Геометрическая форма молекулы хлорной кислоты ($HClO_4$), описывающая расположение атомов кислорода вокруг центрального атома хлора, является тетраэдрической.

10.122. Атом химического элемента-неметалла имеет три неспаренных электрона в основном состоянии. Для элемента известно несколько кислород-содержащих кислот. В одной из этих кислот число атомов водорода в молекуле не равно основности кислоты. Определите элемент, запишите его электронную конфигурацию в основном состоянии. Составьте структурную формулу кислоты, о которой идёт речь, и найдите степень окисления элемента в ней.

Решение

Согласно условию задачи, атом химического элемента-неметалла имеет три неспаренных электрона в основном состоянии. Такая электронная конфигурация внешнего слоя ($ns^2np^3$) характерна для элементов 15-й (VA) группы Периодической системы. Неметаллами в этой группе являются азот (N) и фосфор (P).

Второе условие гласит, что для этого элемента известна кислородсодержащая кислота, в которой число атомов водорода не равно её основности. Основность кислородсодержащих кислот определяется числом гидроксильных групп (–OH), так как только атомы водорода, связанные с кислородом, являются подвижными и могут отщепляться в виде протонов $H^+$.

Сравним кислоты азота и фосфора:

• У азота основные кислоты — азотная ($HNO_3$) и азотистая ($HNO_2$). В обеих кислотах число атомов водорода (один) совпадает с их основностью (одноосновные).
• У фосфора есть несколько кислородсодержащих кислот. Рассмотрим фосфористую кислоту ($H_3PO_3$). В её молекуле содержится три атома водорода. Однако её структура показывает, что только два атома водорода связаны с атомами кислорода, образуя гидроксогруппы. Третий атом водорода связан напрямую с атомом фосфора (связь P–H). Этот водород не является кислотным. Таким образом, фосфористая кислота является двухосновной. Число атомов водорода (3) не равно её основности (2). Это в точности соответствует условию задачи.

Следовательно, искомый элемент — фосфор (P).

Электронная конфигурация атома фосфора (порядковый номер 15) в основном состоянии: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$.

Кислота, о которой идет речь в задаче, — фосфористая кислота ($H_3PO_3$). Её структурная формула, объясняющая её двухосновность:

 O ||HO — P — H | OH 

Далее определим степень окисления фосфора в этой кислоте.

Дано:

Формула кислоты: $H_3PO_3$
Степень окисления водорода (H) = $+1$
Степень окисления кислорода (O) = $-2$

Найти:

Степень окисления фосфора (P) - ?

Решение:

Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю. Обозначим степень окисления фосфора через $x$. Составим и решим уравнение:

$3 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$

$3 + x - 6 = 0$

$x - 3 = 0$

$x = +3$

Ответ:

Искомый элемент — фосфор (P).
Его электронная конфигурация в основном состоянии: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$.
Кислота, о которой идёт речь, — фосфористая кислота ($H_3PO_3$). Её структурная формула:

 O ||HO — P — H | OH 

Степень окисления фосфора в фосфористой кислоте равна $+3$.