Страница 21 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. В чём сущность образования ковалентных связей?

1. В чём сущность образования ковалентных связей?

Сущность образования ковалентной связи заключается в том, что два атома объединяют свои валентные электроны для создания одной или нескольких общих электронных пар. Эти общие электронные пары одновременно притягиваются к ядрам обоих атомов, удерживая их вместе и образуя молекулу или сложный ион. Движущей силой этого процесса является стремление атомов к достижению более устойчивой электронной конфигурации, как правило, соответствующей электронной конфигурации благородного газа (например, завершенный внешний электронный слой из восьми электронов — правило октета).

Основные аспекты образования ковалентной связи:

• Механизм перекрывания орбиталей: Связь возникает при перекрывании атомных орбиталей, на которых находятся валентные электроны. В области перекрывания формируется зона с повышенной электронной плотностью, которая и связывает ядра атомов.
• Способы образования:
  • Обменный механизм: Наиболее распространенный способ, при котором каждый из взаимодействующих атомов предоставляет по одному неспаренному электрону для образования общей пары. Например, при образовании молекулы водорода $H_2$ каждый атом водорода дает по одному электрону: $H \cdot + \cdot H \rightarrow H:H$.
  • Донорно-акцепторный механизм: Один атом (донор) предоставляет уже готовую электронную пару (неподеленную пару), а другой атом (акцептор) предоставляет пустую (вакантную) орбиталь для этой пары. Например, образование иона аммония $NH_4^+$ из молекулы аммиака $NH_3$ (донор) и иона водорода $H^+$ (акцептор): $H_3N: + H^+ \rightarrow [H_3N \rightarrow H]^+$.
• Типы ковалентной связи по полярности:
  • Ковалентная неполярная связь: Образуется между атомами с одинаковой электроотрицательностью (например, в молекулах простых веществ: $H_2$, $O_2$, $N_2$). Общая электронная пара распределена симметрично между ядрами.
  • Ковалентная полярная связь: Образуется между атомами с разной электроотрицательностью (например, в молекулах $HCl$, $H_2O$). Общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома, в результате чего на нем возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на другом — частичный положительный заряд ($\delta+$).
• Кратность связи: Связь может быть одинарной (одна общая пара, например, $H-H$), двойной (две общие пары, $O=O$) или тройной (три общие пары, $N \equiv N$), в зависимости от числа обобществленных электронных пар.

Таким образом, ковалентная связь — это прочная химическая связь, основанная на обобществлении электронов, которое приводит к снижению общей энергии системы и созданию стабильных химических соединений.

Ответ: Сущность образования ковалентной связи заключается в объединении валентных электронов двух атомов в общие электронные пары. Эти пары, притягиваясь к ядрам обоих атомов, удерживают их вместе, что позволяет каждому атому достичь более стабильной, энергетически выгодной электронной конфигурации, как правило, с завершенным внешним электронным слоем.

2. В чём различие между $\sigma$-связью и $\pi$-связью?

Решение

$ \sigma $-связь и $ \pi $-связь — это два основных типа ковалентных связей, которые образуются в результате перекрывания атомных орбиталей. Их главное различие заключается в способе перекрывания этих орбиталей и, как следствие, в геометрии и свойствах образующейся связи.

$ \sigma $-связь (сигма-связь)

Сигма-связь образуется при "лобовом" перекрывании атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра связываемых атомов (межъядерной оси). Электронная плотность при этом концентрируется непосредственно между ядрами.

Она может формироваться в результате перекрывания:

1. Двух $s$-орбиталей (например, в молекуле $H_2$).

2. Одной $s$- и одной $p$-орбитали (например, в молекуле $HCl$).

3. Двух $p$-орбиталей, ориентированных вдоль оси связи (например, в молекуле $F_2$).

Ключевые характеристики $ \sigma $-связи:

• Это самый прочный тип ковалентной связи, так как перекрывание орбиталей максимально.
• Она обладает осевой симметрией, что означает возможность свободного вращения атомов вокруг оси связи без её разрыва.
• Любая одинарная связь всегда является $ \sigma $-связью. В двойных и тройных связях также всегда присутствует одна $ \sigma $-связь.

Ответ: $ \sigma $-связь — это прочная ковалентная связь, образованная осевым ("лобовым") перекрыванием атомных орбиталей с концентрацией электронной плотности на линии, соединяющей ядра.

$ \pi $-связь (пи-связь)

Пи-связь образуется при "боковом" перекрывании негибридных $p$-орбиталей (или $d$-орбиталей), оси которых параллельны друг другу и перпендикулярны линии, соединяющей ядра.

В результате такого перекрывания образуются две области повышенной электронной плотности, расположенные по обе стороны от межъядерной оси (над и под плоскостью $ \sigma $-связи).

Ключевые характеристики $ \pi $-связи:

• Она слабее, чем $ \sigma $-связь, поскольку боковое перекрывание орбиталей менее эффективно, чем лобовое.
• Она не существует самостоятельно, а образуется только в дополнение к $ \sigma $-связи, формируя кратные связи: двойная связь состоит из одной $ \sigma $- и одной $ \pi $-связи, а тройная — из одной $ \sigma $- и двух $ \pi $-связей.
• Наличие $ \pi $-связи делает невозможным свободное вращение атомов вокруг оси связи, так как это привело бы к разрыву $ \pi $-связи. Это является причиной существования цис-транс-изомерии у алкенов.

Ответ: $ \pi $-связь — это менее прочная ковалентная связь, образованная боковым перекрыванием $p$-орбиталей, с электронной плотностью, расположенной над и под плоскостью $ \sigma $-связи.

Основные различия обобщённо:

1. Способ образования: $ \sigma $-связь — лобовое перекрывание, $ \pi $-связь — боковое.

2. Участвующие орбитали: $ \sigma $-связь может быть образована $s$-, $p$- и гибридными орбиталями. $ \pi $-связь образуется, как правило, негибридными $p$-орбиталями.

3. Расположение электронной плотности: у $ \sigma $-связи — на межъядерной оси; у $ \pi $-связи — над и под межъядерной осью.

4. Прочность: $ \sigma $-связь значительно прочнее $ \pi $-связи.

5. Вращение вокруг связи: вокруг одинарной $ \sigma $-связи вращение свободное; наличие $ \pi $-связи блокирует свободное вращение.

6. Наличие в молекулах: $ \sigma $-связь есть в любой ковалентной связи. $ \pi $-связь присутствует только в кратных (двойных и тройных) связях.

Ответ: Главные различия между $ \sigma $- и $ \pi $-связями заключаются в способе перекрывания орбиталей (осевое против бокового), что определяет их прочность ( $ \sigma $ > $ \pi $ ), геометрию расположения электронной плотности и возможность свободного вращения атомов вокруг связи.

3. К какому виду по способу перекрывания орбиталей относят связи в соединениях $H_2$, $I_2$, $HCl$ и $H_2O$?

Решение

Тип ковалентной связи по способу перекрывания атомных орбиталей определяется геометрией области их взаимного проникновения. Выделяют два основных типа связи: $\sigma$ (сигма) и $\pi$ (пи).

• $\sigma$-связь образуется при перекрывании атомных орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра связываемых атомов (осевое перекрывание). Электронная плотность при этом концентрируется между ядрами. $\sigma$-связи могут образовываться при перекрывании s-s, s-p или p-p орбиталей. Любая одинарная ковалентная связь является $\sigma$-связью.

• $\pi$-связь образуется при боковом перекрывании p- или d-орбиталей. Области перекрывания находятся над и под осью, соединяющей ядра. $\pi$-связи образуются только в дополнение к $\sigma$-связи, формируя двойные и тройные связи.

Проанализируем связи в указанных соединениях.

H₂

Атом водорода (H) имеет электронную конфигурацию 1s¹. В молекуле H₂ ковалентная связь образуется за счет перекрывания сферических 1s-орбиталей двух атомов водорода. Это перекрывание происходит вдоль линии, соединяющей ядра, то есть является осевым (тип s-s). Следовательно, это $\sigma$-связь.

Ответ: В молекуле H₂ связь является $\sigma$-связью (сигма-связью), образованной s-s перекрыванием.

I₂

Атом йода (I) имеет валентную электронную конфигурацию 5s²5p⁵. На 5p-подуровне у него есть один неспаренный электрон. При образовании молекулы I₂ происходит перекрывание 5p-орбиталей двух атомов йода. Так как это одинарная связь, перекрывание является осевым (тип p-p), что приводит к образованию $\sigma$-связи.

Ответ: В молекуле I₂ связь является $\sigma$-связью, образованной p-p перекрыванием.

HCl

Связь в молекуле хлороводорода образуется между атомом водорода (1s¹) и атомом хлора (валентная конфигурация 3s²3p⁵). У атома хлора неспаренный электрон находится на 3p-орбитали. Связь H-Cl формируется при осевом перекрывании 1s-орбитали водорода и 3p-орбитали хлора (тип s-p). Такое перекрывание образует $\sigma$-связь.

Ответ: В молекуле HCl связь является $\sigma$-связью, образованной s-p перекрыванием.

H₂O

Атом кислорода (O) имеет валентную конфигурацию 2s²2p⁴. У него есть два неспаренных электрона на двух разных 2p-орбиталях. Каждый из этих неспаренных электронов образует связь с 1s-электроном одного из двух атомов водорода. В результате в молекуле воды образуются две одинарные связи O-H. Каждая из них является результатом осевого перекрывания 2p-орбитали кислорода и 1s-орбитали водорода (тип s-p). Обе связи являются $\sigma$-связями.

Ответ: В молекуле H₂O обе связи O-H являются $\sigma$-связями, образованными s-p перекрыванием.