Номер 6, страница 61 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 2. Химическая связь и строение вещества. Параграф 8. Ковалентная химическая связь и механизмы её образования - номер 6, страница 61.

Условие.

6. Каково максимальное число химических связей, которые могут образовывать атомы неметаллов второго периода? Почему атом кислорода, имеющий шесть электронов на внешнем энергетическом уровне, не способен образовывать шесть химических связей?

Решение.

Решение 2.

Каково максимальное число химических связей, которые могут образовывать атомы неметаллов второго периода?

Максимальное число химических связей, которые могут образовывать атомы неметаллов второго периода, равно четырем. Это обусловлено строением их внешнего (валентного) энергетического уровня. Для элементов второго периода ($n=2$) внешний уровень состоит из одной s-орбитали и трех p-орбиталей. Общее число валентных орбиталей равно четырем ($1 + 3 = 4$).

Каждая из этих орбиталей может участвовать в образовании одной ковалентной связи. Таким образом, атом не может образовать больше связей, чем у него есть валентных орбиталей. Например, атом углерода в возбужденном состоянии имеет электронную конфигурацию $2s^1 2p^3$, что позволяет ему образовать четыре ковалентные связи (например, в молекуле метана, $\text{CH}_4$). Атом азота, имея три неспаренных электрона и одну неподеленную электронную пару на внешнем уровне, может образовывать три ковалентные связи по обменному механизму и одну по донорно-акцепторному (например, в ионе аммония $\text{NH}_4^+$), что в сумме также составляет четыре связи.

Ответ: Максимальное число химических связей для атомов неметаллов второго периода — четыре.

Почему атом кислорода, имеющий шесть электронов на внешнем энергетическом уровне, не способен образовывать шесть химических связей?

Атом кислорода не может образовывать шесть химических связей, несмотря на наличие шести валентных электронов, из-за ограниченного числа валентных орбиталей. Электронная конфигурация внешнего уровня кислорода — $2s^2 2p^4$. Это означает, что его шесть валентных электронов располагаются на четырех валентных орбиталях (одной $\text{s}$- и трех $\text{p}$-орбиталях). Графически это можно представить так: на $\text{2s}$-орбитали находится одна электронная пара, на одной из $\text{2p}$-орбиталей также находится электронная пара, а на двух других $\text{2p}$-орбиталях — по одному неспаренному электрону.

Для образования шести ковалентных связей атому необходимо иметь шесть неспаренных электронов, каждый на своей орбитали. У кислорода, как и у всех элементов второго периода, на внешнем энергетическом уровне ($n=2$) отсутствуют d-орбитали. Поэтому у него нет свободных орбиталей на том же энергетическом уровне, куда можно было бы "распарить" имеющиеся электронные пары с $\text{2s}$- и $\text{2p}$-подуровней. Перевод электронов на следующий, третий, энергетический уровень требует очень большого количества энергии и в химических реакциях практически не происходит. Таким образом, максимальное число связей для кислорода ограничено четырьмя имеющимися у него валентными орбиталями. В большинстве соединений кислород двухвалентен (образует две связи), но может образовывать и три связи (например, в ионе гидроксония $\text{H}_3\text{O}^+$), используя одну из своих неподеленных пар для образования связи по донорно-акцепторному механизму.

Ответ: Атом кислорода не может образовать шесть связей, потому что на его внешнем (втором) энергетическом уровне всего четыре атомные орбитали ($\text{s}$, $p_x$, $p_y$, $p_z$), и отсутствует d-подуровень, который был бы необходим для размещения шести неспаренных электронов.