Страница 155 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какую химическую связь называют ковалентной? Каков механизм ее образования? Как определить число непарных электронов на внешнем энергетическом уровне атома? Как обозначают электронные формулы внешнего энергетического уровня атомов?

Какую химическую связь называют ковалентной? Каков механизм её образования?

Ковалентной связью называют химическую связь, возникающую между атомами за счет образования общих электронных пар. Эта связь характерна в первую очередь для атомов неметаллов, имеющих близкие значения электроотрицательности. Образующаяся общая электронная пара в равной степени принадлежит обоим связанным атомам, удерживая их вместе и формируя молекулу или более сложную структуру.

Существует два основных механизма образования ковалентной связи:

• Обменный механизм: Этот механизм реализуется, когда каждый из взаимодействующих атомов предоставляет по одному неспаренному электрону для создания общей электронной пары. Это наиболее распространенный способ образования ковалентной связи. Например, при образовании молекулы водорода $H_2$ каждый атом водорода предоставляет свой единственный электрон: $H\cdot + \cdot H \rightarrow H:H$.
• Донорно-акцепторный механизм: При этом механизме один атом (донор) предоставляет уже существующую у него неподеленную электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную (вакантную) орбиталь. В результате также образуется общая электронная пара. Например, при образовании иона аммония $NH_4^+$ молекула аммиака $NH_3$ выступает донором (предоставляет неподеленную пару электронов атома азота), а ион водорода $H^+$ — акцептором (имеет свободную 1s-орбиталь): $H_3N: + H^+ \rightarrow [H_3N \rightarrow H]^+$.

Ответ: Ковалентная связь — это химическая связь, основанная на обобществлении электронных пар между атомами. Она образуется по обменному механизму (каждый атом дает по одному электрону) или по донорно-акцепторному механизму (один атом-донор дает пару электронов, а другой атом-акцептор — пустую орбиталь).

Как определить число непарных электронов на внешнем энергетическом уровне атома?

Число непарных (неспаренных) электронов на внешнем энергетическом уровне атома можно определить, зная его электронную конфигурацию. Для этого необходимо выполнить следующие шаги:

1. Найти элемент в Периодической системе и определить его порядковый номер, который равен общему числу электронов в атоме.
2. Составить электронную формулу атома, распределяя электроны по энергетическим уровням и подуровням ($s, p, d, f$) в соответствии с принципом наименьшей энергии.
3. Выделить внешний энергетический уровень (уровень с наибольшим главным квантовым числом $n$).
4. Для внешнего уровня составить графическую электронную формулу (диаграмму квантовых ячеек), изображая каждую орбиталь в виде ячейки (квадратика или черты).
5. Разместить валентные электроны (электроны внешнего уровня) по ячейкам, соблюдая правило Хунда (в пределах одного подуровня электроны сначала занимают свободные орбитали по одному и только затем образуют пары) и принцип Паули (в одной орбитали не может быть более двух электронов, причем их спины должны быть противоположны).
6. Подсчитать количество ячеек, в которых находится только один электрон. Это и будет число непарных электронов.

Пример для атома углерода (C):
Порядковый номер 6, значит, у него 6 электронов.
Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^2$.
Внешний уровень — второй ($n=2$), на нем 4 электрона ($2s^22p^2$).
Графическая формула внешнего уровня в основном состоянии:
$2s$ [↑↓] $2p$ [↑ ][↑ ][ ]
Из диаграммы видно, что у атома углерода в основном состоянии 2 непарных электрона.

Ответ: Чтобы определить число непарных электронов, нужно составить графическую электронную формулу внешнего энергетического уровня атома, распределив валентные электроны по орбиталям согласно правилу Хунда, и затем подсчитать количество орбиталей, содержащих по одному электрону.

Как обозначают электронные формулы внешнего энергетического уровня атомов?

Электронное строение внешнего энергетического уровня (валентной оболочки) атомов можно обозначить несколькими способами:

• Электронная конфигурация (формула): Указывает распределение электронов по подуровням внешнего уровня. Записывается в виде $nl^x$, где $n$ — номер внешнего уровня, $l$ — обозначение подуровня ($s, p, d, f$), а $x$ — число электронов на этом подуровне. Например, для атома кислорода (O) формула внешнего уровня будет $2s^22p^4$. Для атома хлора (Cl) — $3s^23p^5$.
• Графическая электронная формула (орбитальная диаграмма): Наглядно показывает распределение электронов по квантовым ячейкам (орбиталям) и их спины. Каждая орбиталь изображается ячейкой (квадратом или чертой), а электроны — стрелками (↑ и ↓). Этот способ позволяет легко увидеть парные и непарные электроны. Например, для кислорода ($2s^22p^4$):
  $2s$ [↑↓] $2p$ [↑↓][↑ ][↑ ]
• Формулы Льюиса (электронно-точечные структуры): Вокруг символа химического элемента точками изображают валентные электроны. Электроны, образующие пары, располагают рядом (в виде пары точек или черточки), непарные — по одному. Например, для кислорода с шестью валентными электронами (две пары и два непарных электрона), структура будет содержать символ 'O', окруженный двумя парами точек и двумя одиночными точками.

Ответ: Электронные формулы внешнего уровня обозначают с помощью: 1) электронной конфигурации, показывающей распределение электронов по подуровням (например, $2s^22p^4$); 2) графической формулы (орбитальной диаграммы), где электроны-стрелки размещаются в ячейках-орбиталях; 3) формул Льюиса, где валентные электроны обозначаются точками вокруг символа элемента.

2. Сравните ионную и ковалентную связи.

Ионная и ковалентная связи являются двумя основными типами химических связей, которые удерживают атомы вместе в молекулах и соединениях. Они различаются по способу образования и свойствам, которые они придают веществам.

Сравнение ионной и ковалентной связей

1. Механизм образования

• Ионная связь: Образуется в результате полного перехода одного или нескольких электронов от одного атома (обычно металла) к другому (обычно неметаллу). В результате образуются положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы), которые притягиваются друг к другу за счет электростатических сил.
  Пример: $Na + Cl \rightarrow Na^{+} + Cl^{-} \rightarrow NaCl$
• Ковалентная связь: Образуется за счет обобществления одной или нескольких пар электронов между двумя атомами (обычно неметаллами). Атомы "делят" электроны, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации (обычно октета).
  Пример: $H\cdot + \cdot H \rightarrow H:H (H_2)$

2. Участвующие атомы и разница в электроотрицательности (ЭО)

• Ионная связь: Возникает между атомами с большой разницей в электроотрицательности ($\DeltaЭО > 1.7$). Как правило, это связь между типичным металлом (низкая ЭО) и типичным неметаллом (высокая ЭО).
• Ковалентная связь: Возникает между атомами с небольшой разницей в ЭО.
  • Ковалентная неполярная связь: Образуется между атомами одного и того же элемента ($\DeltaЭО = 0$), например, в $O_2$, $N_2$, $Cl_2$. Электронная пара находится на равном расстоянии от ядер обоих атомов.
  • Ковалентная полярная связь: Образуется между атомами разных неметаллов ($0 < \DeltaЭО < 1.7$). Общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома, из-за чего на нем возникает частичный отрицательный заряд ($\delta^-$), а на другом — частичный положительный заряд ($\delta^+$). Пример: $H^{\delta+}-Cl^{\delta-}$.

3. Свойства связи (направленность и насыщенность)

• Ионная связь: Является ненаправленной и ненасыщаемой. Ион создает вокруг себя электрическое поле, которое действует во всех направлениях, и он может притягивать столько ионов противоположного знака, сколько поместится вокруг него в кристаллической решетке.
• Ковалентная связь: Является направленной и насыщаемой. Направленность означает, что связь образуется в определенном направлении (где перекрываются электронные облака), что определяет геометрию молекул. Насыщаемость означает, что атом может образовать ограниченное число ковалентных связей, определяемое его валентностью.

4. Структура и физические свойства веществ

Ответ: Ионная и ковалентная связи — это два фундаментальных типа химических связей. Основное различие заключается в механизме их образования: ионная связь возникает из-за полного перехода электронов и последующего электростатического притяжения разноименно заряженных ионов (образуется между атомами с большой разницей электроотрицательности, например, металл и неметалл), в то время как ковалентная связь образуется путем обобществления электронов между атомами (обычно между неметаллами с близкой электроотрицательностью). Это различие в механизме приводит к кардинальным различиям в свойствах веществ. Ионные соединения — это, как правило, твердые кристаллические вещества с высокими температурами плавления, проводящие ток в расплавах и растворах. Вещества с ковалентной связью могут быть газами, жидкостями или твердыми телами с низкими (молекулярная решетка) или очень высокими (атомная решетка) температурами плавления и обычно не проводят электрический ток.

3. Запишите схему образования ковалентной связи на примере молекулы хлора.

Ковалентная связь — это химическая связь, возникающая между атомами неметаллов за счет образования общих электронных пар. Рассмотрим механизм ее образования на примере молекулы хлора ($Cl_2$).

Атом хлора ($Cl$) — элемент 17-й группы (VIIA) 3-го периода периодической системы. Его порядковый номер 17, следовательно, заряд ядра +17, а на электронных оболочках находится 17 электронов. Электронная конфигурация атома хлора: $1s^22s^22p^63s^23p^5$.

На внешнем (валентном) энергетическом уровне у атома хлора находится 7 электронов. Для достижения стабильной восьмиэлектронной конфигурации (октета), как у инертного газа аргона, атому хлора не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон атом может получить, образовав общую электронную пару с другим атомом.

При сближении двух атомов хлора их внешние электронные оболочки перекрываются. Каждый атом предоставляет по одному неспаренному электрону для образования общей электронной пары. Эта пара электронов в равной степени принадлежит обоим атомам, удерживая их вместе.

Схему образования ковалентной связи в молекуле хлора можно представить с помощью электронно-точечных формул (структур Льюиса), где точки обозначают валентные электроны:
$ : \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} \cdot + \cdot \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} : \rightarrow : \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} : \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} : $

Образовавшаяся общая электронная пара формирует одинарную ковалентную связь. Так как связь образована между атомами одного и того же химического элемента, общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов, поэтому связь является ковалентной неполярной. Структурная формула молекулы хлора, где ковалентная связь обозначается чертой:
$ : \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} - \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} : $

В результате образования молекулы $Cl_2$ каждый атом хлора имеет на своем внешнем уровне 8 электронов (6 собственных неподеленных и 2 общих), достигая стабильного октета.

Ответ: Схема образования ковалентной связи в молекуле хлора ($Cl_2$) выглядит следующим образом: два атома хлора, у каждого из которых по 7 валентных электронов и один неспаренный электрон, сближаются и образуют одну общую электронную пару. $ : \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} \cdot + \cdot \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} : \rightarrow : \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} - \underset{\Large..}{\ddot{Cl}} : $. В результате образуется одинарная ковалентная неполярная связь, и каждый атом хлора приобретает стабильную восьмиэлектронную внешнюю оболочку.

4. Молекула простого вещества состоит из двух атомов. Сумма чисел протонов в ядрах атомов, образующих молекулу, равна 16, что на четырнадцать меньше общего числа нейтронов. Определите:

а) формулу вещества;

б) какие изотопы данного элемента образовали молекулу;

в) какой вид химической связи реализуется в этом веществе.

Дано:

Молекула простого вещества состоит из двух атомов.

Сумма протонов в молекуле: $P_{общ} = 16$.

Связь между суммой протонов и общим числом нейтронов: $P_{общ} = N_{общ} - 14$.

Найти:

а) формулу вещества;

б) какие изотопы данного элемента образовали молекулу;

в) какой вид химической связи реализуется в этом веществе.

Решение:

а) 1. Определим число протонов в ядре одного атома. Поскольку молекула состоит из двух атомов одного и того же простого вещества, то число протонов в каждом атоме одинаково. Пусть $p$ - число протонов в одном атоме. Тогда:
$2 \cdot p = 16$
$p = \frac{16}{2} = 8$

2. Число протонов в ядре атома ($p=8$) соответствует его порядковому номеру в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Элемент с порядковым номером 8 - это кислород (O).

3. Так как молекула простого вещества состоит из двух атомов, ее формула - $O_2$.
Ответ: Формула вещества - $O_2$.

б) 1. Найдем общее число нейтронов в молекуле. По условию, сумма протонов на 14 меньше общего числа нейтронов:
$N_{общ} = P_{общ} + 14$
$N_{общ} = 16 + 14 = 30$

2. Это общее число нейтронов ($30$) приходится на два атома кислорода. Молекула может быть образована как одинаковыми, так и разными изотопами. В общем случае, если $n_1$ и $n_2$ - число нейтронов в первом и втором атомах соответственно, то $n_1 + n_2 = 30$. Рассмотрим наиболее вероятный и симметричный случай, когда молекула образована двумя одинаковыми изотопами. Тогда число нейтронов в каждом атоме равно:
$n = \frac{N_{общ}}{2} = \frac{30}{2} = 15$

3. Определим массовое число $A$ этого изотопа. Массовое число равно сумме протонов и нейтронов в ядре:
$A = p + n = 8 + 15 = 23$

Таким образом, молекула образована двумя атомами изотопа кислорода-23, который обозначается как $^{23}O$.
Ответ: Молекулу образовали два атома изотопа кислорода-23 ($^{23}O$).

в) Химическая связь в молекуле $O_2$ образуется между двумя атомами одного и того же химического элемента-неметалла (кислорода). Электроотрицательность атомов одинакова, поэтому общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов и принадлежит им в равной степени. Такая связь называется ковалентной неполярной.
Ответ: В данном веществе реализуется ковалентная неполярная химическая связь.

5. Число общих электронных пар между двумя атомами в молекулах характеризует кратность ковалентной связи: одинарная, двойная или тройная. Какова кратность ковалентной связи в молекулах веществ, формулы которых >$H_2$, $Cl_2$, $N_2$?

Кратность ковалентной связи определяется числом общих (связывающих) электронных пар между двумя атомами. Эта характеристика определяет, является ли связь одинарной (одна общая пара), двойной (две общие пары) или тройной (три общие пары). Для определения кратности связи в указанных веществах необходимо рассмотреть электронное строение их атомов.

$H_2$

Атом водорода ($H$) имеет один валентный электрон. Для достижения стабильной двухэлектронной конфигурации, как у инертного газа гелия, каждому атому водорода не хватает одного электрона. При образовании молекулы $H_2$ два атома водорода обобществляют свои электроны, формируя одну общую электронную пару. Эта пара образует ковалентную связь. Схема образования: $H \cdot + \cdot H \rightarrow H:H$. Так как между атомами существует одна общая электронная пара, связь является одинарной.
Ответ: кратность связи в молекуле водорода $H_2$ равна 1 (одинарная связь).

$Cl_2$

Атом хлора ($Cl$) является элементом 17-й группы (VIIA) и имеет 7 валентных электронов. Для завершения внешней электронной оболочки до стабильного октета (8 электронов) каждому атому хлора не хватает одного электрона. В молекуле $Cl_2$ два атома хлора образуют одну общую электронную пару, предоставляя по одному неспаренному электрону. Схема образования: $: \ddot{Cl} \cdot + \cdot \ddot{Cl} : \rightarrow : \ddot{Cl} : \ddot{Cl} :$. Наличие одной общей электронной пары между атомами означает, что связь одинарная.
Ответ: кратность связи в молекуле хлора $Cl_2$ равна 1 (одинарная связь).

$N_2$

Атом азота ($N$) находится в 15-й группе (VA) и имеет 5 валентных электронов. Для достижения стабильного октета каждому атому азота не хватает трех электронов. Чтобы восполнить этот дефицит, два атома азота в молекуле $N_2$ образуют три общие электронные пары. Каждый атом азота предоставляет по три электрона для формирования этих связей. Схема образования: $: N \vdots + \vdots N : \rightarrow : N \vdots \vdots N :$. Так как атомы связаны тремя общими электронными парами, связь является тройной.
Ответ: кратность связи в молекуле азота $N_2$ равна 3 (тройная связь).

6. Найдите объём (н. у.), который занимают 112 г азота.

Дано:

$m(\text{азота}) = 112$ г

Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

$V(\text{азота}) - ?$

Решение:

1. Запишем химическую формулу азота. Азот — это двухатомная молекула, поэтому его формула $N_2$.

2. Рассчитаем молярную массу азота $M(N_2)$. Атомная масса одного атома азота $N$ составляет 14 г/моль. Поскольку молекула состоит из двух атомов, молярная масса будет:

$M(N_2) = 2 \times 14 = 28$ г/моль.

3. Найдем количество вещества (число молей) азота $n(N_2)$ по формуле:

$n = \frac{m}{M}$

Подставим известные значения:

$n(N_2) = \frac{112 \text{ г}}{28 \text{ г/моль}} = 4$ моль.

4. Согласно закону Авогадро, при нормальных условиях (н. у.) 1 моль любого газа занимает объём, равный молярному объёму $V_m$, который составляет 22,4 л/моль.

5. Теперь можно найти объём, который занимают 112 г азота, по формуле:

$V = n \times V_m$

Подставим рассчитанное количество вещества:

$V(N_2) = 4 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 89,6$ л.

Ответ: объём, который занимают 112 г азота при нормальных условиях, составляет 89,6 л.

7. Американский химик Гилберт Льюис в своей работе «Валентность и структура атомов и молекул» в 1923 г. утверждал, что число электронных пар у атомов в молекулах, как правило, равно четырём. Используйте это утверждение для обоснования постоянного состава двухатомных молекул. Почему это утверждение несостоятельно для двухатомной молекулы водорода?

Используйте это утверждение для обоснования постоянного состава двухатомных молекул. Утверждение Гилберта Льюиса, известное как правило октета, гласит, что атомы, образуя химические связи, стремятся к приобретению устойчивой электронной конфигурации благородного газа. Для большинства элементов это означает наличие восьми электронов (то есть четырёх электронных пар) на внешней электронной оболочке.

Это стремление к стабильности и объясняет постоянство состава двухатомных молекул. Рассмотрим в качестве примера молекулу азота $N_2$. Атом азота имеет 5 валентных электронов. Чтобы достичь стабильного октета, каждому атому азота необходимо еще 3 электрона. Два атома азота могут удовлетворить это требование, образовав между собой три общие электронные пары (тройную связь).

В молекуле азота $N \equiv N$ каждый атом имеет одну собственную неподеленную электронную пару и три общие связывающие пары. Таким образом, каждый атом окружен $1+3=4$ электронными парами, что соответствует правилу октета. Эта конфигурация является энергетически наиболее выгодной и стабильной. Именно поэтому молекула азота имеет состав ровно $N_2$, а не, например, $N_3$ или какой-либо другой. Фиксированное требование к достижению октета для обоих атомов определяет строгое соотношение 1:1, что и является проявлением закона постоянства состава. Аналогичные рассуждения применимы и к другим двухатомным молекулам, таким как $O_2$, $F_2$, $Cl_2$.

Ответ: Стремление атомов в двухатомной молекуле к достижению стабильной электронной конфигурации с четырьмя электронными парами (октет) приводит к образованию определенного числа ковалентных связей между ними. Эта устойчивая структура возможна только при определенном, постоянном соотношении атомов (1:1), что и объясняет постоянство состава таких молекул.

Почему это утверждение несостоятельно для двухатомной молекулы водорода? Утверждение о стремлении к четырем электронным парам (правило октета) несостоятельно для молекулы водорода $H_2$. Атом водорода относится к элементам первого периода и имеет всего один электронный уровень (оболочку), на котором находится один электрон. Этот первый электронный уровень является завершенным при наличии на нем двух электронов (электронная конфигурация благородного газа гелия, $He$).

Поэтому атом водорода стремится не к октету (восьми электронам), а к дублету (двум электронам). В двухатомной молекуле водорода $H_2$ два атома объединяют свои электроны, образуя одну общую электронную пару (одинарную связь $H-H$). В результате этой связи каждый атом водорода оказывается окружен только одной электронной парой, а не четырьмя. Таким образом, для водорода выполняется "правило дублета", которое является исключением из правила октета.

Ответ: Утверждение несостоятельно для молекулы водорода $H_2$, так как атом водорода имеет только один электронный уровень, который становится завершенным при наличии двух электронов (дублет), а не восьми (октета). Поэтому каждый атом в молекуле $H_2$ окружен одной электронной парой, а не четырьмя.