Страница 269 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.123. Сравните между собой три типа химической связи: ковалентную, водородную и ван-дер-ваальсову. Расположите их в ряд в порядке: а) увеличения энергии связи; б) увеличения длины связи.

Для сравнения трех типов химической связи — ковалентной, водородной и ван-дер-ваальсовой — необходимо рассмотреть их природу, энергию и длину.

• Ковалентная связь — это сильная внутримолекулярная связь, образованная за счет спаривания электронов двух атомов. Она определяет химическую структуру молекул.
• Водородная связь — это межмолекулярное (иногда внутримолекулярное) взаимодействие. Она значительно слабее ковалентной связи, но сильнее ван-дер-ваальсовой. Возникает между атомом водорода, связанным с сильноэлектроотрицательным элементом (F, O, N), и другим электроотрицательным атомом.
• Ван-дер-ваальсова связь (взаимодействие) — самый слабый тип межмолекулярного взаимодействия, обусловленный силами притяжения между диполями (постоянными или наведенными).

а) увеличения энергии связи

Энергия связи характеризует ее прочность. Чем больше энергии нужно затратить на разрыв связи, тем она прочнее. Сравним типичные значения энергии для рассматриваемых связей:

• Энергия ван-дер-ваальсовой связи: $0.4 - 4$ кДж/моль.
• Энергия водородной связи: $10 - 40$ кДж/моль.
• Энергия ковалентной связи: $150 - 1100$ кДж/моль.

Из этих данных видно, что самой слабой является ван-дер-ваальсова связь, за ней следует водородная, а самой прочной — ковалентная связь.

Ответ: в порядке увеличения энергии связи: ван-дер-ваальсова связь < водородная связь < ковалентная связь.

б) увеличения длины связи

Длина связи — это равновесное расстояние между центрами взаимодействующих частиц (атомов или молекул). Существует обратная зависимость между энергией и длиной связи: чем прочнее связь, тем короче расстояние между частицами.

• Длина ковалентной связи (самой прочной) является наименьшей: $0.1 - 0.2$ нм.
• Длина водородной связи больше, чем ковалентной: $0.15 - 0.3$ нм.
• Ван-дер-ваальсовы взаимодействия являются самыми слабыми и дальнодействующими, поэтому расстояние между молекулами здесь самое большое. Оно определяется суммой ван-дер-ваальсовых радиусов и обычно составляет более $0.3 - 0.4$ нм.

Таким образом, самой короткой является ковалентная связь, а самой длинной — ван-дер-ваальсова.

Ответ: в порядке увеличения длины связи: ковалентная связь < водородная связь < ван-дер-ваальсова связь.

10.124. Установите формулу частицы, которая содержит 49 протонов, 48 нейтронов и 50 электронов. Определите её геометрическую форму.

Дано:

Количество протонов, $p^+ = 49$

Количество нейтронов, $n^0 = 48$

Количество электронов, $e^- = 50$

Найти:

Формулу частицы - ?

Геометрическую форму частицы - ?

Решение:

1. Определение химического элемента.

Число протонов в ядре атома определяет его порядковый номер (Z) в периодической системе химических элементов. В данном случае число протонов равно 49, следовательно, $Z=49$. Элемент с порядковым номером 49 — это Индий (In).

2. Определение массового числа и заряда частицы.

Массовое число (A) — это общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

$A = p^+ + n^0 = 49 + 48 = 97$

Таким образом, мы имеем дело с изотопом индия-97 ($^{97}\text{In}$).

Заряд частицы определяется разницей между числом протонов (положительных зарядов) и числом электронов (отрицательных зарядов).

Заряд = $p^+ - e^- = 49 - 50 = -1$

Частица является анионом с зарядом -1.

3. Установление формулы частицы.

Объединяя полученные данные, мы можем записать полную формулу частицы: это ион индия-97 с зарядом -1.

Формула: $^{97}\text{In}^{-}$. В химических уравнениях изотопный состав часто не указывается, поэтому можно также использовать формулу $In^{-}$.

4. Определение геометрической формы.

Данная частица является одноатомным (моноатомным) ионом. Геометрическая форма в смысле расположения ядер атомов друг относительно друга (как в многоатомных молекулах) для таких частиц не определяется. Одноатомные частицы, такие как атомы и простые ионы, принято считать сферически симметричными.

Следовательно, геометрическая форма частицы — сферическая.

Ответ:Формула частицы — $In^{-}$ (или, более точно, ион изотопа $^{97}\text{In}^{-}$). Геометрическая форма частицы — сферическая.

10.125. Приведите по одному примеру молекул, у которых в образовании ковалентных химических связей участвуют: а) все электроны молекулы; б) больше половины электронов молекулы; в) ровно одна треть от общего числа электронов молекулы. Ответы обоснуйте. Для каждой молекулы опишите электронную конфигурацию атома с наибольшим порядковым номером.

а) все электроны молекулы

В качестве примера молекулы, в которой все электроны участвуют в образовании ковалентных химических связей, можно привести молекулу водорода ($H_2$).

Обоснование:

Атом водорода (H) имеет порядковый номер Z=1 и содержит 1 электрон. Молекула водорода ($H_2$) состоит из двух атомов, следовательно, общее число электронов в молекуле равно $1 + 1 = 2$.

В молекуле $H_2$ атомы соединены одинарной ковалентной связью (H–H), на образование которой расходуются оба имеющихся электрона. Таким образом, все электроны молекулы (2 из 2) участвуют в образовании химической связи.

В данной молекуле оба атома одинаковы. Электронная конфигурация атома водорода (Z=1): $1s^1$.

Ответ: Молекула водорода ($H_2$). Общее число электронов — 2. Число связывающих электронов — 2. Все электроны молекулы участвуют в образовании связи. Электронная конфигурация атома водорода: $1s^1$.

б) больше половины электронов молекулы

В качестве примера молекулы, в которой в образовании связей участвует больше половины электронов, можно привести молекулу метана ($CH_4$).

Обоснование:

Атом углерода (C) имеет порядковый номер Z=6 и содержит 6 электронов. Атом водорода (H) имеет Z=1 и 1 электрон. Общее число электронов в молекуле метана ($CH_4$) равно $6 + 4 \cdot 1 = 10$.

В молекуле метана атом углерода образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода. На образование каждой связи уходит по 2 электрона. Таким образом, общее число электронов, участвующих в образовании связей, составляет $4 \cdot 2 = 8$.

Доля связывающих электронов от общего числа составляет $8 / 10 = 0.8$, что больше половины (0.5).

Атом с наибольшим порядковым номером в этой молекуле — углерод (Z=6). Его электронная конфигурация: $1s^22s^22p^2$.

Ответ: Молекула метана ($CH_4$). Общее число электронов — 10. Число связывающих электронов — 8, что составляет 80% от общего числа (больше половины). Электронная конфигурация атома углерода: $1s^22s^22p^2$.

в) ровно одна треть от общего числа электронов молекулы

В качестве примера молекулы, в которой в образовании связей участвует ровно одна треть электронов, можно привести молекулу пероксида водорода ($H_2O_2$).

Обоснование:

Атом кислорода (O) имеет порядковый номер Z=8 и содержит 8 электронов. Атом водорода (H) имеет Z=1 и 1 электрон. Общее число электронов в молекуле пероксида водорода ($H_2O_2$) равно $2 \cdot 8 + 2 \cdot 1 = 16 + 2 = 18$.

Структурная формула пероксида водорода H–O–O–H. В молекуле имеются три одинарные ковалентные связи: две связи O–H и одна связь O–O. На образование этих трех связей затрачивается $3 \cdot 2 = 6$ электронов.

Доля связывающих электронов от общего числа составляет $6 / 18 = 1/3$.

Атом с наибольшим порядковым номером в этой молекуле — кислород (Z=8). Его электронная конфигурация: $1s^22s^22p^4$.

Ответ: Молекула пероксида водорода ($H_2O_2$). Общее число электронов — 18. Число связывающих электронов — 6, что составляет ровно 1/3 от общего числа. Электронная конфигурация атома кислорода: $1s^22s^22p^4$.

10.126. Сколько электронов содержится в молекуле ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5?$ Сколько из них принимают участие в образовании химических связей в молекуле?

Дано:

Молекула оксида азота(V) - $N_2O_5$

Найти:

1. Общее число электронов в молекуле ($N_{e, общ}$)

2. Число электронов, участвующих в образовании химических связей ($N_{e, связ}$)

Решение:

Сколько электронов содержится в молекуле N₂O₅?

Общее число электронов в молекуле можно найти, сложив число электронов всех атомов, входящих в ее состав. Число электронов в нейтральном атоме равно его порядковому номеру в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

• Атом азота (N) имеет порядковый номер 7, следовательно, в нем 7 электронов.
• Атом кислорода (O) имеет порядковый номер 8, следовательно, в нем 8 электронов.

Молекула $N_2O_5$ состоит из двух атомов азота и пяти атомов кислорода. Рассчитаем общее число электронов:

$N_{e, общ} = 2 \cdot (\text{число электронов в N}) + 5 \cdot (\text{число электронов в O})$

$N_{e, общ} = 2 \cdot 7 + 5 \cdot 8 = 14 + 40 = 54$

Ответ: в молекуле $N_2O_5$ содержится 54 электрона.

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

Для определения числа электронов, участвующих в образовании химических связей, необходимо рассмотреть строение молекулы $N_2O_5$. В образовании связей участвуют валентные электроны.

• Азот находится в 15-й группе (VА-группе), у него 5 валентных электронов.
• Кислород находится в 16-й группе (VIА-группе), у него 6 валентных электронов.

Общее число валентных электронов в молекуле:

$N_{e, вал} = 2 \cdot 5 + 5 \cdot 6 = 10 + 30 = 40$

В газовой фазе молекула $N_2O_5$ имеет строение $O_2N-O-NO_2$, где два фрагмента $NO_2$ соединены через "мостиковый" атом кислорода. Одна из возможных резонансных структур молекулы имеет следующий вид:

В этой структуре можно выделить:

• Четыре одинарные связи (две $N-O$ с мостиковым кислородом и две $N-O$ с концевыми атомами).
• Две двойные связи ($N=O$).

Каждая одинарная ковалентная связь образована парой электронов (2 электрона). Каждая двойная связь — двумя парами (4 электрона).

Рассчитаем общее число связывающих электронов:

$N_{e, связ} = (4 \text{ одинарные связи}) \cdot 2 \frac{e^-}{\text{связь}} + (2 \text{ двойные связи}) \cdot 4 \frac{e^-}{\text{связь}} = 4 \cdot 2 + 2 \cdot 4 = 8 + 8 = 16$

Ответ: в образовании химических связей в молекуле $N_2O_5$ участвуют 16 электронов.

10.127. Отрицательно заряженная частица изоэлектронна молекуле угарного газа, т. е. имеет такую же электронную формулу и то же общее число электронов. Установите формулу частицы.

Дано:

Искомая частица — отрицательно заряженная и изоэлектронна молекуле угарного газа ($CO$).

Найти:

Формулу искомой частицы.

Решение:

1. Определим общее число электронов в молекуле угарного газа ($CO$). Молекула угарного газа состоит из одного атома углерода ($C$) и одного атома кислорода ($O$).

- Порядковый номер углерода ($C$) в периодической системе равен 6, следовательно, нейтральный атом углерода содержит 6 электронов.

- Порядковый номер кислорода ($O$) в периодической системе равен 8, следовательно, нейтральный атом кислорода содержит 8 электронов.

- Общее число электронов в молекуле $CO$ равно сумме электронов составляющих ее атомов: $N_e(CO) = 6 + 8 = 14$ электронов.

2. Согласно условию задачи, искомая частица изоэлектронна молекуле $CO$. Это означает, что она имеет такое же общее число электронов, то есть 14. Также известно, что частица заряжена отрицательно, то есть является анионом.

3. Необходимо найти анион, состоящий из атомов элементов, близких к $C$ и $O$ в периодической системе, который в сумме содержит 14 электронов. Рассмотрим цианид-ион ($CN^-$).

- Он состоит из атома углерода ($C$, 6 электронов) и атома азота ($N$, 7 электронов).

- Заряд иона равен $-1$, что означает наличие одного дополнительного электрона.

- Суммарное число электронов в цианид-ионе: $N_e(CN^-) = 6 (C) + 7 (N) + 1 (\text{дополнительный электрон}) = 14$ электронов.

- Таким образом, цианид-ион $CN^-$ является отрицательно заряженной частицей, которая изоэлектронна молекуле угарного газа $CO$.

Ответ: $CN^-$.

10.128. Приведите формулы одного положительного и одного отрицательного иона, которые изоэлектронны молекуле углекислого газа.

Решение

Изоэлектронными называются частицы (атомы, молекулы, ионы), которые имеют одинаковое количество электронов. Чтобы найти ионы, изоэлектронные молекуле углекислого газа ($CO_2$), необходимо сначала определить общее число электронов в этой молекуле.

Молекула $CO_2$ состоит из одного атома углерода ($C$) и двух атомов кислорода ($O$). Число электронов в нейтральном атоме равно его порядковому номеру в Периодической системе химических элементов.

Порядковый номер углерода ($C$) равен 6, следовательно, атом углерода содержит 6 электронов.
Порядковый номер кислорода ($O$) равен 8, следовательно, атом кислорода содержит 8 электронов.

Общее число электронов в молекуле $CO_2$ рассчитывается следующим образом: $N_e(CO_2) = N_e(C) + 2 \cdot N_e(O) = 6 + 2 \cdot 8 = 6 + 16 = 22$ электрона.

Далее необходимо найти положительный и отрицательный ионы, которые также содержат 22 электрона.

Положительный ион

Рассмотрим катион нитрония $NO_2^+$. Он состоит из одного атома азота ($N$) и двух атомов кислорода ($O$). Положительный заряд $+1$ означает, что частица потеряла один электрон по сравнению с набором нейтральных атомов.

Число электронов в нейтральных атомах: азот ($N$, порядковый номер 7) имеет 7 электронов, кислород ($O$, порядковый номер 8) имеет 8 электронов.

Общее число электронов в ионе $NO_2^+$ равно: $N_e(NO_2^+) = N_e(N) + 2 \cdot N_e(O) - 1 = 7 + 2 \cdot 8 - 1 = 22$ электрона.

Следовательно, катион нитрония $NO_2^+$ изоэлектронен молекуле $CO_2$.

Ответ: $NO_2^+$

Отрицательный ион

Рассмотрим анион цианата $OCN^-$. Он состоит из одного атома кислорода ($O$), одного атома углерода ($C$) и одного атома азота ($N$). Отрицательный заряд $-1$ означает, что частица приобрела один дополнительный электрон.

Число электронов в нейтральных атомах: кислород (8), углерод (6), азот (7).

Общее число электронов в ионе $OCN^-$ равно: $N_e(OCN^-) = N_e(O) + N_e(C) + N_e(N) + 1 = 8 + 6 + 7 + 1 = 22$ электрона.

Другим примером может служить азид-анион $N_3^-$.
Число электронов в нем: $N_e(N_3^-) = 3 \cdot N_e(N) + 1 = 3 \cdot 7 + 1 = 22$ электрона.

Следовательно, цианат-анион $OCN^-$ (а также азид-анион $N_3^-$) изоэлектронен молекуле $CO_2$.

Ответ: $OCN^-$

10.129. Какие из перечисленных частиц: ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5,$ ${\mathrm{NH}}_4^{+},$ ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O},$ ${\mathrm{CO}}_3^{2-},$ ${\mathrm{SO}}_4^{2-},$ ${\mathrm{CH}}_3^{+}$ имеют объёмное (неплоское) строение?

Решение

Для определения строения частиц необходимо проанализировать геометрию каждой из них, используя, например, теорию отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR). Объемное (неплоское) строение имеют частицы, атомы которых не могут быть расположены в одной плоскости.

$N_2O_5$

Молекула оксида азота(V) в газовой фазе имеет строение $O_2N-O-NO_2$. В этой структуре два атома азота соединены через мостиковый атом кислорода. У мостикового атома кислорода есть две связи и две неподеленные электронные пары, что приводит к угловому строению фрагмента $N-O-N$ (аналогично молекуле воды). Группы $NO_2$ сами по себе являются плоскими, но из-за углового строения у центрального кислорода они располагаются под углом друг к другу. Таким образом, вся молекула $N_2O_5$ является неплоской (объемной).

$NH_4^+$

В ионе аммония центральный атом азота образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода. Согласно теории VSEPR, четыре электронные пары связей и отсутствие неподеленных пар у центрального атома приводят к тетраэдрической геометрии. Тетраэдр — это объемная пространственная фигура, следовательно, ион $NH_4^+$ имеет объемное строение.

$N_2O$

Молекула оксида азота(I), $N \equiv N-O$, имеет линейное строение. Все три атома расположены на одной прямой, поэтому молекула является плоской.

$CO_3^{2-}$

В карбонат-ионе центральный атом углерода соединен с тремя атомами кислорода. У атома углерода три электронных домена (одна двойная и две одинарные связи в одной из резонансных структур) и нет неподеленных электронных пар. Это приводит к тригонально-планарной (плоской треугольной) геометрии. Все четыре атома лежат в одной плоскости. Следовательно, ион $CO_3^{2-}$ имеет плоское строение.

$SO_4^{2-}$

В сульфат-ионе центральный атом серы связан с четырьмя атомами кислорода. Как и в ионе аммония, у центрального атома четыре электронных домена (связи) и нет неподеленных пар. Это соответствует тетраэдрической геометрии. Тетраэдр является объемной фигурой, поэтому ион $SO_4^{2-}$ имеет объемное строение.

$CH_3^+$

В карбкатионе метила центральный атом углерода связан с тремя атомами водорода и имеет вакантную р-орбиталь. Три электронные пары связей и отсутствие неподеленных пар у центрального атома приводят к тригонально-планарной геометрии. Все четыре атома лежат в одной плоскости. Следовательно, катион $CH_3^+$ имеет плоское строение.

Ответ: объемное (неплоское) строение имеют частицы $N_2O_5$, $NH_4^+$ и $SO_4^{2-}$.

10.130. в каких из перечисленных частиц: толуол, стирол, фенол, нафталин, ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{H}}_4,$ ${\mathrm{PO}}_4^{3-},$ ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ – все атомы лежат в одной плоскости?

Для определения, лежат ли все атомы в частице в одной плоскости, необходимо проанализировать геометрию (пространственное строение) каждой частицы, которая определяется гибридизацией центральных атомов и теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

толуол

Молекула толуола ($C_6H_5CH_3$) состоит из бензольного кольца и метильной группы ($–CH_3$). Бензольное кольцо является плоской структурой, где все 6 атомов углерода и 5 атомов водорода лежат в одной плоскости. Атом углерода метильной группы, непосредственно связанный с кольцом, также лежит в этой плоскости. Однако этот атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации, что означает тетраэдрическое расположение связанных с ним трех атомов водорода. Эти три атома водорода не могут одновременно находиться в плоскости бензольного кольца. Следовательно, молекула толуола в целом не является плоской.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

стирол

Молекула стирола ($C_6H_5CH=CH_2$) состоит из бензольного кольца и винильной группы ($–CH=CH_2$). Все атомы углерода в молекуле стирола (и в кольце, и в винильной группе) находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Это приводит к плоскому строению как самого бензольного кольца, так и винильной группы. Вся система $\pi$-связей сопряжена, что стабилизирует плоскую конформацию всей молекулы. Таким образом, все 8 атомов углерода и 8 атомов водорода лежат в одной плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

фенол

Молекула фенола ($C_6H_5OH$) состоит из плоского бензольного кольца, к которому присоединена гидроксильная группа ($–OH$). Атом кислорода и атом водорода гидроксильной группы могут располагаться в той же плоскости, что и бензольное кольцо. Это энергетически выгодная конформация, поддерживаемая сопряжением неподеленной электронной пары атома кислорода с $\pi$-системой кольца. Таким образом, все атомы в молекуле фенола могут лежать в одной плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

нафталин

Молекула нафталина ($C_{10}H_8$) представляет собой два конденсированных бензольных кольца. Все 10 атомов углерода в нафталине находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и образуют единую жесткую плоскую ароматическую систему. Все 8 атомов водорода, связанные с этими углеродными атомами, также лежат в этой же плоскости.

Ответ: все атомы лежат в одной плоскости.

N₂H₄

В молекуле гидразина ($N_2H_4$) атомы азота находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Каждый атом азота связан с другим атомом азота и двумя атомами водорода, а также имеет одну неподеленную электронную пару. Это приводит к тригонально-пирамидальной геометрии вокруг каждого атома азота. Из-за вращения вокруг одинарной связи N–N и отталкивания неподеленных пар молекула принимает неплоскую "скошенную" (gauche) конформацию. Таким образом, атомы в гидразине не лежат в одной плоскости.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

PO₄³⁻

Фосфат-ион ($PO_4^{3−}$) имеет тетраэдрическое строение. Центральный атом фосфора связан с четырьмя атомами кислорода. Согласно теории VSEPR, четыре атома кислорода располагаются в вершинах тетраэдра вокруг центрального атома фосфора для минимизации отталкивания. Тетраэдр — это объемная фигура, поэтому все пять атомов иона не могут лежать в одной плоскости.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

H₂O₂

Молекула пероксида водорода ($H_2O_2$) имеет неплоское строение. Она имеет структуру, напоминающую полураскрытую книгу, где связь O–O является "переплетом". Плоскости, в которых лежат группы H–O–O, повернуты друг относительно друга на определенный двугранный (диэдральный) угол (около $111.5^\circ$ в газовой фазе). Это связано с отталкиванием неподеленных электронных пар на $sp^3$-гибридизованных атомах кислорода. Следовательно, четыре атома молекулы не лежат в одной плоскости.

Ответ: не все атомы лежат в одной плоскости.

10.131. Какие из перечисленных частиц: ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O},$ ${\mathrm{NO}}_2,$ ${\mathrm{NO}}_2^{+},$ ${\mathrm{BH}}_4^{-},$ ${\left[\mathrm{Cu}{\left({\mathrm{NH}}_3\right)}_2\right]}^{+},$ ${\mathrm{S}}_8,$ ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{O}}_2,$ ${\mathrm{HNO}}_2$ – имеют линейное строение?

Для определения геометрии (пространственного строения) перечисленных частиц воспользуемся теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR, метод Гиллеспи) и теорией гибридизации атомных орбиталей.

Молекула оксида диазота(I) имеет скелет атомов $N-N-O$. Центральный атом азота образует связи с двумя другими атомами и не имеет неподеленных электронных пар (стерическое число равно 2). Согласно методу Гиллеспи, такая конфигурация (тип $AX_2$) соответствует линейной геометрии. Валентный угол $N-N-O$ равен $180^\circ$.

Ответ: имеет линейное строение.

Молекула диоксида азота является радикалом (имеет 17 валентных электронов). На центральном атоме азота находятся один неспаренный электрон и две сигма-связи с атомами кислорода. Общее число электронных доменов вокруг азота равно трем (тип $AX_2E_1$, где E — неспаренный электрон). Отталкивание между доменами приводит к угловому (изогнутому) строению молекулы с валентным углом $O-N-O$ около $134^\circ$.

Ответ: не имеет линейного строения.

Катион нитрония $NO_2^+$ имеет 16 валентных электронов. Центральный атом азота образует две двойные связи с атомами кислорода ($O=N=O$) и не имеет неподеленных электронных пар. Стерическое число равно 2 (тип $AX_2$), что соответствует $sp$-гибридизации атома азота. Такая частица имеет линейное строение с валентным углом $180^\circ$.

Ответ: имеет линейное строение.

В тетрагидридоборат-ионе центральный атом бора образует четыре одинарные связи с атомами водорода и не имеет неподеленных электронных пар. Стерическое число равно 4 (тип $AX_4$), что соответствует $sp^3$-гибридизации. Согласно теории VSEPR, такая частица имеет тетраэдрическую геометрию с валентными углами $H-B-H$ около $109.5^\circ$.

Ответ: не имеет линейного строения.

Ион диамминмеди(I) — это комплексный ион. Центральный ион меди(I) ($Cu^+$) имеет электронную конфигурацию $d^{10}$. Для ионов с такой конфигурацией и координационным числом 2 характерна линейная геометрия, обусловленная $sp$-гибридизацией центрального атома. Две молекулы аммиака ($NH_3$) располагаются на одной прямой с ионом $Cu^+$, образуя угол $N-Cu-N$ равный $180^\circ$.

Ответ: имеет линейное строение.

Молекула ромбической серы ($S_8$) состоит из восьми атомов серы, соединенных в замкнутый цикл. Эта структура не является плоской и имеет форму "короны". Каждый атом серы связан с двумя соседними атомами и имеет две неподеленные электронные пары (тип $AX_2E_2$), что приводит к угловой геометрии в каждом звене цепи и в целом к нелинейной, циклической структуре молекулы.

Ответ: не имеет линейного строения.

Молекула субоксида углерода (диоксида триуглерода) имеет структуру $O=C=C=C=O$. Все три атома углерода находятся в состоянии $sp$-гибридизации, так как каждый из них образует по две двойные связи. $sp$-гибридизация предполагает валентные углы $180^\circ$. В результате вся цепь атомов выстраивается в одну линию.

Ответ: имеет линейное строение.

Молекула азотистой кислоты имеет структуру $H-O-N=O$. В ней нет единого центрального атома, но можно рассмотреть геометрию вокруг атомов O и N. Атом кислорода, связанный с водородом, имеет две связи и две неподеленные пары (тип $AX_2E_2$), что создает угловую геометрию фрагмента $H-O-N$. Атом азота имеет одну одинарную связь, одну двойную связь и одну неподеленную пару (тип $AX_2E_1$), что также приводит к угловому строению фрагмента $O-N=O$. Таким образом, молекула в целом является нелинейной (изогнутой).

Ответ: не имеет линейного строения.

10.132. Какие из перечисленных молекул: ${\mathrm{SiCl}}_4,$ ${\mathrm{SiH}}_2{\mathrm{Cl}}_2,$ ${\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_2,$ ${\mathrm{O}}_3,$ ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4,$ ${\mathrm{P}}_4{\mathrm{O}}_{10},$ ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O},$ ${\mathrm{SF}}_4,$ нитробензол, диэтиловый эфир – неполярны, т. е. имеют нулевой дипольный момент?

Для определения полярности молекулы необходимо проанализировать ее геометрию и полярность химических связей. Молекула является неполярной (имеет нулевой дипольный момент), если векторная сумма дипольных моментов всех связей в ней равна нулю. Это возможно либо при отсутствии полярных связей, либо при симметричном расположении полярных связей, при котором их дипольные моменты взаимно компенсируются.

SiCl₄

Молекула тетрахлорида кремния ($SiCl_4$) имеет тетраэдрическое строение. Атом кремния ($Si$) расположен в центре тетраэдра, а четыре атома хлора ($Cl$) — в его вершинах. Связь $Si-Cl$ является полярной, так как хлор более электроотрицателен, чем кремний. Однако из-за высокой симметрии тетраэдрической структуры дипольные моменты четырех связей $Si-Cl$ направлены от центра к вершинам тетраэдра и взаимно компенсируют друг друга. В результате суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ: молекула неполярна.

SiH₂Cl₂

Молекула дихлорсилана ($SiH_2Cl_2$) также имеет тетраэдрическое строение с атомом кремния в центре. Однако в вершинах тетраэдра находятся разные атомы: два атома водорода ($H$) и два атома хлора ($Cl$). Связи $Si-Cl$ и $Si-H$ полярны, причем их полярности и, соответственно, дипольные моменты различны (дипольный момент связи $Si-Cl$ значительно больше). Из-за асимметричного расположения разных заместителей дипольные моменты связей не компенсируют друг друга. Векторная сумма дипольных моментов не равна нулю.

Ответ: молекула полярна.

C₂H₂

Молекула ацетилена ($C_2H_2$) имеет линейное строение ($H-C \equiv C-H$). Связь $C-H$ слабополярна (электроотрицательность углерода немного выше, чем у водорода). Два вектора дипольных моментов связей $C-H$ равны по величине, но направлены в противоположные стороны вдоль одной прямой. Вследствие этого они взаимно компенсируются, и суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ: молекула неполярна.

O₃

Молекула озона ($O_3$) имеет угловое (изогнутое) строение. У центрального атома кислорода есть одна неподеленная электронная пара. Хотя все атомы одинаковы, распределение электронной плотности в молекуле неравномерно, что можно показать через резонансные структуры ($O=O^+-O^-$ $\leftrightarrow$ $O^--O^+=O$). Из-за угловой формы и неравномерного распределения заряда молекула имеет постоянный дипольный момент.

Ответ: молекула полярна.

N₂O₄

Молекула тетраоксида диазота ($N_2O_4$) имеет плоское симметричное строение ($O_2N-NO_2$). Она состоит из двух групп $NO_2$, соединенных связью $N-N$. Каждая связь $N-O$ полярна. Однако молекула в целом симметрична относительно центра связи $N-N$. Дипольные моменты двух фрагментов $NO_2$ направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируют друг друга. Суммарный дипольный момент равен нулю.

Ответ: молекула неполярна.

P₄O₁₀

Молекула декаоксида тетрафосфора ($P_4O_{10}$), являющаяся димером оксида фосфора(V), имеет высокосимметричную каркасную структуру, в основе которой лежит тетраэдр из четырех атомов фосфора ($P$). Связи $P-O$ полярны. Однако благодаря тетраэдрической симметрии (точечная группа $T_d$), подобно $CCl_4$ или $SiCl_4$, дипольные моменты всех связей в пространстве взаимно компенсируются. Суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ: молекула неполярна.

N₂O

Молекула оксида диазота(I) ($N_2O$) имеет линейное, но несимметричное строение, порядок атомов в ней $N-N-O$. Так как на концах молекулы находятся разные атомы (азот и кислород), то дипольные моменты связей ($N \equiv N^+ - O^-$ и другие резонансные структуры) не компенсируют друг друга. Молекула обладает дипольным моментом.

Ответ: молекула полярна.

SF₄

В молекуле тетрафторида серы ($SF_4$) центральный атом серы ($S$) связан с четырьмя атомами фтора ($F$) и имеет одну неподеленную электронную пару. Геометрия молекулы — "качели" (искаженный тетраэдр). Эта геометрия не является симметричной. Связи $S-F$ сильно полярны, и их дипольные моменты не компенсируют друг друга. В результате молекула имеет значительный дипольный момент.

Ответ: молекула полярна.

нитробензол

Молекула нитробензола ($C_6H_5NO_2$) состоит из бензольного кольца и нитрогруппы ($-NO_2$). Нитрогруппа является сильным акцептором электронов и создает значительный дипольный момент, направленный от кольца к группе $-NO_2$. Молекула несимметрична, и этот дипольный момент не скомпенсирован.

Ответ: молекула полярна.

диэтиловый эфир

В молекуле диэтилового эфира ($(C_2H_5)_2O$) атом кислорода связан с двумя этильными группами. Из-за наличия двух неподеленных электронных пар на атоме кислорода молекула имеет угловое строение (подобно молекуле воды). Связи $C-O$ полярны. Из-за угловой геометрии дипольные моменты двух связей $C-O$ не компенсируют друг друга, а складываются векторно, образуя результирующий дипольный момент.

Ответ: молекула полярна.

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.

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.