Номер 7, страница 43, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

7. Опишите пространственную структуру следующих молекул: $AlCl_3$, $PH_3$, $H_2O$, $CaF_2$.

AlCl₃

Молекула хлорида алюминия ($AlCl_3$) имеет ковалентный полярный тип связи. Центральным атомом является алюминий ($Al$). Атом алюминия находится в 13-й группе таблицы Менделеева, его электронная конфигурация внешнего слоя $3s^23p^1$, т.е. он имеет 3 валентных электрона. Для образования связей с тремя атомами хлора ($Cl$) атом алюминия предоставляет все три валентных электрона.

Таким образом, вокруг центрального атома алюминия находятся 3 связывающие электронные пары и 0 неподеленных (свободных) электронных пар. Согласно теории отталкивания валентных электронных пар (метод Гиллеспи), три электронные пары будут располагаться в пространстве так, чтобы минимизировать взаимное отталкивание. Такое расположение достигается, когда они находятся в одной плоскости под углом $120o $ друг к другу.

Тип гибридизации центрального атома алюминия – $sp^2$.

Поскольку неподеленные электронные пары отсутствуют, пространственная геометрия молекулы совпадает с геометрией расположения электронных пар.

Ответ: Пространственная структура молекулы $AlCl_3$ (в газовой фазе) – плоский треугольник (тригональная планарная), с атомом алюминия в центре и атомами хлора в вершинах. Валентный угол $Cl-Al-Cl$ составляет $120o $.

PH₃

Молекула фосфина ($PH_3$) имеет ковалентный полярный тип связи. Центральным атомом является фосфор ($\text{P}$). Атом фосфора находится в 15-й группе, его электронная конфигурация внешнего слоя $3s^23p^3$, он имеет 5 валентных электронов. Три электрона участвуют в образовании трех ковалентных связей с атомами водорода ($\text{H}$), а оставшиеся два электрона образуют одну неподеленную электронную пару.

Вокруг центрального атома фосфора находятся 4 электронные пары: 3 связывающие и 1 неподеленная. Согласно теории отталкивания, эти четыре пары стремятся расположиться в вершинах тетраэдра для минимизации отталкивания. Тип гибридизации центрального атома фосфора – $sp^3$.

Однако при определении формы молекулы учитывается только положение атомов. Неподеленная электронная пара занимает больше пространства и отталкивает связывающие пары сильнее, чем они отталкивают друг друга. Это приводит к сжатию валентного угла $H-P-H$ по сравнению с идеальным тетраэдрическим углом ($109.5o $).

Ответ: Пространственная структура молекулы $PH_3$ – тригональная пирамида, с атомом фосфора в вершине и атомами водорода в основании. Валентный угол $H-P-H$ составляет примерно $93.5o $.

H₂O

Молекула воды ($H_2O$) имеет ковалентный полярный тип связи. Центральным атомом является кислород ($\text{O}$). Атом кислорода находится в 16-й группе, его электронная конфигурация внешнего слоя $2s^22p^4$, он имеет 6 валентных электронов. Два электрона участвуют в образовании двух ковалентных связей с атомами водорода ($\text{H}$), а оставшиеся четыре электрона образуют две неподеленные электронные пары.

Вокруг центрального атома кислорода находятся 4 электронные пары: 2 связывающие и 2 неподеленные. Эти четыре пары, согласно теории отталкивания, располагаются в пространстве, образуя искаженный тетраэдр. Тип гибридизации атома кислорода – $sp^3$.

Две неподеленные электронные пары оказывают сильное отталкивающее действие на связывающие электронные пары, что приводит к значительному уменьшению валентного угла по сравнению с тетраэдрическим.

Ответ: Пространственная структура молекулы $H_2O$ – угловая (или изогнутая). Атомы образуют угол, в вершине которого находится атом кислорода. Валентный угол $H-O-H$ составляет примерно $104.5o $.

CaF₂

Фторид кальция ($CaF_2$) является ионным соединением, образованным металлом (кальций, $Ca$) и неметаллом (фтор, $\text{F}$). В твердом состоянии он не образует отдельных молекул, а существует в виде кристаллической решетки.

Структура $CaF_2$ в твердом виде – это ионная кристаллическая решетка типа флюорита. В этой решетке каждый ион кальция $Ca^{2+}$ окружен восемью ионами фтора $F^–$ (координационное число 8), а каждый ион фтора $F^–$ окружен четырьмя ионами кальция $Ca^{2+}$ в тетраэдрической конфигурации (координационное число 4).

Если рассматривать гипотетическую изолированную молекулу $CaF_2$ в газовой фазе при очень высокой температуре, то ее строение можно предсказать с помощью метода Гиллеспи. Атом кальция отдает 2 электрона, у него не остается валентных электронов для образования неподеленных пар. Поэтому две связи $Ca-F$ будут располагаться максимально далеко друг от друга.

Ответ: В твердом состоянии $CaF_2$ образует ионную кристаллическую решетку. Гипотетическая молекула $CaF_2$ в газовой фазе имела бы линейную структуру с валентным углом $F-Ca-F$, равным $180o $.