Страница 270 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.135. Расположите в порядке увеличения дипольного момента молекулы все фторпроизводные метана.

Для того чтобы расположить фторпроизводные метана в порядке увеличения дипольного момента, необходимо проанализировать геометрию молекул и направление дипольных моментов отдельных связей. Дипольный момент молекулы ($\mu$) — это векторная сумма дипольных моментов всех связей. Связь $C-F$ сильно полярна (электронная плотность смещена к фтору), а связь $C-H$ слабо полярна (электронная плотность смещена к углероду). Все молекулы имеют тетраэдрическую структуру. Фторпроизводными метана являются $CH_3F$, $CH_2F_2$, $CHF_3$ и $CF_4$.

Тетрафторметан ($CF_4$)
Молекула $CF_4$ имеет идеальную тетраэдрическую симметрию. Четыре дипольных момента связей $C-F$ направлены от центрального атома углерода к вершинам тетраэдра. Вследствие симметрии они взаимно компенсируют друг друга, и суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Трифторметан ($CHF_3$)
В этой молекуле симметрия понижена. Результирующий вектор дипольных моментов трех связей $C-F$ направлен от атома углерода вдоль оси симметрии $C_3$. Однако дипольный момент связи $C-H$ направлен в противоположную сторону (от $H$ к $C$). Таким образом, происходит частичная компенсация векторов, и итоговый дипольный момент оказывается относительно небольшим.

Фторметан ($CH_3F$)
В молекуле $CH_3F$ дипольный момент связи $C-F$ и результирующий дипольный момент трех связей $C-H$ сонаправлены. Вектор диполя $C-F$ (от $C$ к $F$) и суммарный вектор диполей $C-H$ (от плоскости атомов $H$ к $C$) складываются, что приводит к значительному дипольному моменту, большему, чем у $CHF_3$.

Дифторметан ($CH_2F_2$)
В этой молекуле результирующий вектор дипольных моментов двух связей $C-F$ и результирующий вектор от двух связей $C-H$ также сонаправлены и складываются. Геометрия молекулы такова, что угол между связями $C-F$ (около $109.5^\circ$) приводит к очень большому суммарному вектору, который дополнительно усиливается вкладом от связей $C-H$. В результате эта молекула обладает наибольшим дипольным моментом в данном ряду.

Следовательно, ряд по увеличению дипольного момента выглядит следующим образом:

Ответ: $CF_4 < CHF_3 < CH_3F < CH_2F_2$

10.136. Три частицы – X, Y и Z – содержат одинаковое число электронов – по 22. Каждая частица состоит из трёх атомов. Частицы X и У – это нейтральные молекулы, а частица Z представляет собой отрицательный ион и включает атомы только одного элемента. Предложите формулы всех частиц. Напишите уравнение реакции, в которой X – реагент, а Y – продукт.

Дано:

Частицы X, Y, Z
Число электронов в каждой частице: $N_e = 22$
Число атомов в каждой частице: $N_{атомов} = 3$
Частицы X, Y – нейтральные молекулы
Частица Z – отрицательный ион, состоящий из атомов одного элемента

Найти:

Формулы частиц X, Y, Z.
Уравнение реакции, в которой X — реагент, а Y — продукт.

Решение:

Предложите формулы всех частиц.
1. Начнем с определения частицы Z. По условию, это отрицательный ион, состоящий из трех атомов одного элемента (обозначим его как Э). Его формулу можно записать как $Э_3^{n-}$, где $n$ – это величина отрицательного заряда.
Общее число электронов (22) складывается из электронов трех атомов и $n$ дополнительных электронов, создающих заряд. Если $Z_Э$ – порядковый номер элемента Э (равный числу электронов в нейтральном атоме), то справедливо уравнение: $3 \cdot Z_Э + n = 22$
Так как $n$ должно быть целым положительным числом, то разность $(22 - n)$ должна быть кратна 3.
Проверим возможные значения $n$:
- Если $n = 1$, то $3 \cdot Z_Э = 22 - 1 = 21$. Отсюда $Z_Э = 7$. Элемент с порядковым номером 7 – это азот (N). Частица Z – это азид-ион $N_3^-$. Это известный и достаточно стабильный ион.
- Если $n = 2$, то $3 \cdot Z_Э = 22 - 2 = 20$. 20 не делится на 3 нацело.
- Если $n = 3$, то $3 \cdot Z_Э = 22 - 3 = 19$. 19 не делится на 3 нацело.
Таким образом, наиболее вероятная формула для частицы Z – это $N_3^-$.

2. Теперь определим частицы X и Y. Это нейтральные трехатомные молекулы, в каждой из которых 22 электрона. Сумма порядковых номеров атомов в такой молекуле должна быть равна 22.
Рассмотрим наиболее распространенные трехатомные молекулы неметаллов:
- Диоксид углерода, $CO_2$. Состоит из одного атома углерода ($Z=6$) и двух атомов кислорода ($Z=8$). Общее число электронов: $6 + 2 \cdot 8 = 22$. Эта молекула удовлетворяет всем условиям.
- Оксид азота(I), $N_2O$. Состоит из двух атомов азота ($Z=7$) и одного атома кислорода ($Z=8$). Общее число электронов: $2 \cdot 7 + 8 = 22$. Эта молекула также удовлетворяет всем условиям.
Молекулы $CO_2$ и $N_2O$ являются изоэлектронными и подходят на роль частиц X и Y. Поскольку в задаче не указано, какая из них X, а какая Y, мы можем присвоить их произвольно. Пусть X - это $N_2O$, а Y - это $CO_2$.

Напишите уравнение реакции, в которой X — реагент, а Y — продукт.
Согласно нашему выбору, X = $N_2O$, а Y = $CO_2$. Нам нужно составить уравнение реакции, в которой оксид азота(I) является исходным веществом, а диоксид углерода – продуктом.
Оксид азота(I) является сильным окислителем и может окислять многие вещества. Например, он может окислить угарный газ ($CO$) до диоксида углерода ($CO_2$): $N_2O + CO \rightarrow N_2 + CO_2$
Это уравнение реакции удовлетворяет условию задачи.

Ответ:
Формулы частиц: X – $N_2O$ (оксид азота(I)), Y – $CO_2$ (диоксид углерода), Z – $N_3^-$ (азид-ион). (Также возможно, что X - $CO_2$, а Y - $N_2O$, тогда пример реакции будет другим).
Уравнение реакции для случая, когда X = $N_2O$ и Y = $CO_2$: $N_2O + CO \rightarrow N_2 + CO_2$.

10.137. В состав молекул X, Y, Z входит по 18 электронов. Вещество X – простое, Y состоит из двух элементов, Z – из трёх элементов. Напишите молекулярные формулы X – Z и изобразите их структурные формулы. В какой из молекул наибольшее число электронов участвует в образовании химических связей?

Дано:

Общее число электронов в каждой из молекул X, Y, Z равно 18.
Вещество X — простое (состоит из атомов одного химического элемента).
Вещество Y состоит из атомов двух химических элементов.
Вещество Z состоит из атомов трёх химических элементов.

Найти:

Молекулярные и структурные формулы веществ X, Y, Z.
В какой из молекул наибольшее число электронов участвует в образовании химических связей.

Решение:

Напишите молекулярные формулы X - Z и изобразите их структурные формулы.

Для определения веществ X, Y и Z подберем молекулы, которые удовлетворяют заданным условиям. Помним, что число электронов в нейтральном атоме элемента равно его порядковому номеру в Периодической системе Д.И. Менделеева.

1. Вещество X является простым веществом, и его молекула содержит 18 электронов. Если молекула двухатомная ($Э_2$), то на каждый атом приходится $18 / 2 = 9$ электронов. Элемент с порядковым номером 9 — это фтор ($F$). Следовательно, вещество X — это фтор, $F_2$. Другой возможный вариант, одноатомная молекула инертного газа аргона ($Ar$), менее вероятен, так как в аргоне нет химических связей, о которых спрашивается во второй части задачи.

2. Вещество Y состоит из двух элементов, и его молекула также содержит 18 электронов. Существует несколько таких веществ, например, пероксид водорода $H_2O_2$ ($2 \cdot 1 + 2 \cdot 8 = 18$), гидразин $N_2H_4$ ($2 \cdot 7 + 4 \cdot 1 = 18$) или этан $C_2H_6$ ($2 \cdot 6 + 6 \cdot 1 = 18$). Этан является очень распространенным соединением и хорошо подходит для решения.

3. Вещество Z состоит из трех элементов и содержит 18 электронов. Примерами таких веществ могут служить метанол $CH_3OH$ ($6 + 4 \cdot 1 + 8 = 18$) или фторметан $CH_3F$ ($6 + 3 \cdot 1 + 9 = 18$). Выберем метанол как классический пример.

Ответ:

Исходя из рассуждений, определены следующие вещества:

X — фтор. Молекулярная формула: $F_2$. Структурная формула:

F—F

Y — этан. Молекулярная формула: $C_2H_6$. Структурная формула:

 H H | |H—C—C—H | | H H

Z — метанол. Молекулярная формула: $CH_3OH$. Структурная формула:

 H |H—C—O—H | H

В какой из молекул наибольшее число электронов участвует в образовании химических связей?

Подсчитаем общее число электронов, формирующих ковалентные связи в каждой молекуле. Каждая одинарная связь (черточка в структурной формуле) образована парой электронов (2 электрона).

• В молекуле X ($F_2$) имеется одна одинарная связь $F-F$. Число электронов, участвующих в связи: $1 \times 2 = 2$.
• В молекуле Y ($C_2H_6$) имеется одна связь $C-C$ и шесть связей $C-H$. Всего 7 одинарных связей. Число электронов, участвующих в связях: $7 \times 2 = 14$.
• В молекуле Z ($CH_3OH$) имеется три связи $C-H$, одна связь $C-O$ и одна связь $O-H$. Всего 5 одинарных связей. Число электронов, участвующих в связях: $5 \times 2 = 10$.

Сравнивая полученные значения (2, 14 и 10), можно сделать вывод, что наибольшее число электронов участвует в образовании связей в молекуле Y.

Ответ:

Наибольшее число электронов (14) участвует в образовании химических связей в молекуле этана ($C_2H_6$).

10.138. Заполните таблицу, характеризующую свойства молекул водородных соединений неметаллов. Если утверждение верное, поставьте «+» в со-ответствующую ячейку.

Для заполнения таблицы проанализируем свойства каждой молекулы по каждому из предложенных пунктов.

Молекула содержит ковалентную неполярную связь

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами одного и того же химического элемента с одинаковой электроотрицательностью.

• $C_2H_4$ (этилен): В молекуле этилена $H_2C=CH_2$ есть двойная связь между двумя атомами углерода ($C=C$). Так как атомы одинаковы, эта связь является ковалентной неполярной.

• $N_2H_4$ (гидразин): В молекуле гидразина $H_2N-NH_2$ есть одинарная связь между двумя атомами азота ($N-N$). Эта связь является ковалентной неполярной.

• $H_2O_2$ (пероксид водорода): В молекуле пероксида водорода $H-O-O-H$ есть одинарная связь между двумя атомами кислорода ($O-O$). Эта связь является ковалентной неполярной.

• $H_2F_2$ (димер фтороводорода): В димере $(HF)_2$ ковалентные связи существуют только между атомами водорода и фтора ($H-F$), которые являются полярными. Связей между одинаковыми атомами нет. Поэтому ковалентной неполярной связи в этой структуре нет.

Ответ: Утверждение верно для $C_2H_4$, $N_2H_4$, $H_2O_2$.

Молекула содержит двойную связь

• $C_2H_4$: Да, в структурной формуле этилена $H_2C=CH_2$ присутствует двойная связь между атомами углерода.

• $N_2H_4$: Нет, в молекуле гидразина все связи одинарные.

• $H_2O_2$: Нет, в молекуле пероксида водорода все связи одинарные.

• $H_2F_2$: Нет, в димере фтороводорода все ковалентные связи одинарные.

Ответ: Утверждение верно для $C_2H_4$.

Все атомы лежат в одной плоскости

• $C_2H_4$: Да. Атомы углерода в этилене находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации, что обуславливает плоское строение молекулы. Все шесть атомов лежат в одной плоскости.

• $N_2H_4$: Нет. Атомы азота находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации и имеют неподеленные электронные пары, что приводит к неплоскому (пирамидальному) строению у каждого атома азота. Молекула в целом не является плоской.

• $H_2O_2$: Нет. Молекула имеет неплоскую структуру, напоминающую полураскрытую книгу, из-за взаимного отталкивания неподеленных электронных пар на атомах кислорода.

• $H_2F_2$: Да. Димер фтороводорода $(HF)_2$ имеет плоскую, хотя и нелинейную, структуру.

Ответ: Утверждение верно для $C_2H_4$ и $H_2F_2$.

Молекула полярная

Полярность молекулы определяется вектором суммы дипольных моментов всех связей и неподеленных электронных пар. Если эта сумма равна нулю (обычно из-за высокой симметрии), молекула неполярна.

• $C_2H_4$: Нет. Молекула этилена симметрична, и дипольные моменты отдельных связей $C-H$ взаимно компенсируются. Общий дипольный момент равен нулю.

• $N_2H_4$: Да. Молекула гидразина асимметрична, дипольные моменты связей $N-H$ и неподеленных пар не компенсируются. Молекула имеет ненулевой дипольный момент и является полярной.

• $H_2O_2$: Да. Молекула пероксида водорода асимметрична (неплоская), дипольные моменты полярных связей $O-H$ не компенсируются. Молекула полярна.

• $H_2F_2$: Да. Димер $(HF)_2$ имеет асимметричную (изогнутую) структуру, его суммарный дипольный момент не равен нулю. Молекула полярна.

Ответ: Утверждение верно для $N_2H_4$, $H_2O_2$ и $H_2F_2$.

В молекуле есть водородная связь

Данное утверждение трактуется как способность вещества образовывать межмолекулярные водородные связи или наличие такой связи внутри рассматриваемой частицы (как в случае димера).

• $C_2H_4$: Нет. Водородные связи образуются, когда атом водорода связан с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N). В этилене водород связан с углеродом, поэтому водородные связи не образуются.

• $N_2H_4$: Да. В гидразине водород связан с атомом азота, что приводит к образованию межмолекулярных водородных связей.

• $H_2O_2$: Да. В пероксиде водорода водород связан с атомом кислорода, что приводит к образованию прочных межмолекулярных водородных связей.

• $H_2F_2$: Да. Димер фтороводорода $(HF)_2$ по определению удерживается вместе за счет сильной водородной связи. Эта связь является неотъемлемой частью структуры "молекулы" димера.

Ответ: Утверждение верно для $N_2H_4$, $H_2O_2$ и $H_2F_2$.

Итоговая заполненная таблица:

10.139. В таблице ниже приведены формулы некоторых молекул и ионов. В первой строке все частицы содержат углерод, во второй – азот. Частицы, находящиеся в одном столбце, обладают общим свойством. Каким? За-полните всю таблицу. Там, где возможно, добавьте в столбцы третью клетку, в которой частица с тем же свойством содержит и азот, и углерод.

Каким свойством обладают частицы?

Частицы, находящиеся в одном столбце, обладают общим свойством — они являются изоэлектронными. Это означает, что они содержат одинаковое общее число электронов. Например, в первом столбце молекула диоксида углерода $CO_2$ ($6 + 2 \cdot 8 = 22$ электрона) и азид-ион $N_3^-$ ($3 \cdot 7 + 1 = 22$ электрона) имеют по 22 электрона. В дополнение к этому, изоэлектронные частицы часто оказываются изоструктурными, то есть имеют одинаковую геометрию. Так, и $CO_2$, и $N_3^-$ являются линейными трехатомными частицами. Этот принцип позволяет предсказывать свойства и находить аналогии между различными химическими частицами.

Ответ: Частицы, находящиеся в одном столбце, являются изоэлектронными (содержат одинаковое число электронов) и, как правило, изоструктурными (имеют одинаковое геометрическое строение).

Заполнение таблицы и добавление третьей клетки

Основываясь на принципе изоэлектронности, заполним пустые ячейки в первых двух строках, а затем, где это возможно, добавим третью строку с частицами, содержащими одновременно и углерод, и азот.

• Столбец 1: Частицы с 22 электронами.
  $CO_2$ и $N_3^-$.
  Частица с C и N: цианат-ион $OCN^-$ ($O(8) + C(6) + N(7) + 1e^- = 22$ электрона).
• Столбец 2: Частицы с 10 электронами.
  Изоэлектронным аналогом для $NH_4^+$ ($N(7) + 4 \cdot H(1) - 1e^- = 10$ электронов) является метан $CH_4$ ($C(6) + 4 \cdot H(1) = 10$ электронов).
  Простую частицу с C, N и 10 электронами подобрать затруднительно.
• Столбец 3: Частицы с 32 электронами.
  Изоэлектронным аналогом для $CO_3^{2-}$ ($C(6) + 3 \cdot O(8) + 2e^- = 32$ электрона) является нитрат-ион $NO_3^-$ ($N(7) + 3 \cdot O(8) + 1e^- = 32$ электрона).
  Частица с C и N: анион нитрометана $CH_2NO_2^-$ ($C(6) + 2 \cdot H(1) + N(7) + 2 \cdot O(8) + 1e^- = 32$ электрона).
• Столбец 4: Частицы с 46 электронами.
  Изоэлектронным аналогом для $N_2O_4$ ($2 \cdot N(7) + 4 \cdot O(8) = 46$ электронов) является оксалат-ион $C_2O_4^{2-}$ ($2 \cdot C(6) + 4 \cdot O(8) + 2e^- = 46$ электронов).
  Частица с C и N: нитрокарбоксилат-ион $[O_2NCO_2]^-$ ($N(7) + C(6) + 4 \cdot O(8) + 1e^- = 46$ электронов).
• Столбец 5: Частицы с 14 электронами.
  Изоэлектронным аналогом для $N_2$ ($2 \cdot N(7) = 14$ электронов) является угарный газ $CO$ ($C(6) + O(8) = 14$ электронов).
  Частица с C и N: цианид-ион $CN^-$ ($C(6) + N(7) + 1e^- = 14$ электронов).
• Столбец 6: Частицы с 18 электронами.
  Изоэлектронным аналогом для $C_2H_6$ ($2 \cdot C(6) + 6 \cdot H(1) = 18$ электронов) является гидразин $N_2H_4$ ($2 \cdot N(7) + 4 \cdot H(1) = 18$ электронов).
  Частица с C и N: метиламин $CH_3NH_2$ ($C(6) + N(7) + 5 \cdot H(1) = 18$ электронов).

Ответ: Итоговая заполненная таблица:

10.140. В таблице приведены энергии гомоядерных связей различной кратности между атомами элементов VA группы.

а) Объясните возрастание энергии одинарной связи при переходе от N к Р.

б) Используя данные таблицы, определите, какая из молекулярных форм для каждого элемента, приведённых на рисунке ниже, является наиболее устойчивой, т. е. обладает наименьшей энергией в расчёте на один моль атомов Э.

a) Возрастание энергии одинарной связи при переходе от азота (N) к фосфору (P) является аномалией, поскольку в общем случае энергия связи уменьшается вниз по группе с увеличением атомного радиуса. Это объясняется следующим образом:

Атом азота имеет очень малый ковалентный радиус. При образовании простой связи N-N два атома азота сближаются, и их неподеленные электронные пары оказываются в непосредственной близости друг от друга. Это приводит к сильному межэлектронному отталкиванию, которое значительно дестабилизирует и ослабляет одинарную связь N-N. Поэтому ее энергия (159 кДж/моль) аномально низка.

Атом фосфора имеет значительно больший радиус. В молекуле с одинарной связью P-P атомы находятся на большем расстоянии, и отталкивание между неподеленными электронными парами гораздо слабее. В данном случае этот эффект оказывается более значимым, чем общее ослабление связи из-за увеличения ее длины. В результате связь P-P (200 кДж/моль) оказывается прочнее связи N-N. При дальнейшем переходе к мышьяку (As) уже преобладает обычная тенденция: атом становится еще больше, связь длиннее и слабее, поэтому энергия связи As-As (167 кДж/моль) меньше, чем у P-P.

Ответ: Энергия одинарной связи N-N аномально низка из-за сильного отталкивания неподеленных электронных пар на соседних, очень маленьких по размеру атомах азота. У более крупного атома фосфора этот эффект отталкивания выражен значительно слабее, что и приводит к большей энергии связи P-P по сравнению с N-N.

б) Дано:

• $E(N-N) = 159$
• $E(N=N) = 310$
• $E(N≡N) = 945$
• $E(P-P) = 200$
• $E(P=P) = 270$
• $E(P≡P) = 490$
• $E(As-As) = 167$
• $E(As=As) = 240$
• $E(As≡As) = 400$

Найти:

Наиболее устойчивую молекулярную форму (Э₂, Э₄ или Э₆) для каждого элемента (N, P, As).

Решение:

Наиболее устойчивой является та форма, которая обладает наименьшей потенциальной энергией в расчете на один моль атомов. Это соответствует максимальной суммарной энергии всех связей в молекуле в расчете на один атом, так как образование связей сопровождается выделением энергии. Рассчитаем эту величину (удельную энергию связи, $E_{уд}$) для каждой из предложенных структур.

1. Двухатомная молекула Э₂ со структурой Э≡Э. Содержит одну тройную связь на два атома.
$E_{уд}(Э_2) = E(Э≡Э) / 2$

2. Тетраэдрическая молекула Э₄. Содержит 6 одинарных связей на четыре атома.
$E_{уд}(Э_4) = (6 \times E(Э-Э)) / 4 = 1.5 \times E(Э-Э)$

3. Шестичленная циклическая молекула Э₆. Содержит 3 одинарные и 3 двойные связи на шесть атомов.
$E_{уд}(Э_6) = (3 \times E(Э-Э) + 3 \times E(Э=Э)) / 6 = 0.5 \times (E(Э-Э) + E(Э=Э))$

Проведем расчеты для каждого элемента:

Азот (N)

• $E_{уд}(N_2) = 945 / 2 = 472.5$ кДж/моль атомов
• $E_{уд}(N_4) = 1.5 \times 159 = 238.5$ кДж/моль атомов
• $E_{уд}(N_6) = 0.5 \times (159 + 310) = 0.5 \times 469 = 234.5$ кДж/моль атомов

Сравнивая значения ($472.5 > 238.5 > 234.5$), заключаем, что для азота наиболее устойчивой является форма N₂.

Фосфор (P)

• $E_{уд}(P_2) = 490 / 2 = 245$ кДж/моль атомов
• $E_{уд}(P_4) = 1.5 \times 200 = 300$ кДж/моль атомов
• $E_{уд}(P_6) = 0.5 \times (200 + 270) = 0.5 \times 470 = 235$ кДж/моль атомов

Сравнивая значения ($300 > 245 > 235$), заключаем, что для фосфора наиболее устойчивой является форма P₄.

Мышьяк (As)

• $E_{уд}(As_2) = 400 / 2 = 200$ кДж/моль атомов
• $E_{уд}(As_4) = 1.5 \times 167 = 250.5$ кДж/моль атомов
• $E_{уд}(As_6) = 0.5 \times (167 + 240) = 0.5 \times 407 = 203.5$ кДж/моль атомов

Сравнивая значения ($250.5 > 203.5 > 200$), заключаем, что для мышьяка наиболее устойчивой является форма As₄.

Ответ: На основе данных таблицы, наиболее устойчивыми формами являются: для азота - двухатомная молекула Э₂ (структура Э≡Э), для фосфора и мышьяка - тетраэдрическая молекула Э₄.