Страница 159 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что такое электроотрицательность?

Что такое электроотрицательность?

Электроотрицательность — это фундаментальное химическое свойство атома, которое характеризует его способность притягивать к себе электроны от других атомов в химической связи. Иными словами, это мера «жадности» атома до электронов. Это не абсолютная величина, а относительная, и она помогает понять, как будут распределены электроны между атомами, образующими химическую связь.

Значение электроотрицательности является ключевым фактором, определяющим тип химической связи между двумя атомами. Разницу в электроотрицательности обозначают как $\Delta\chi$.

Если разница $\Delta\chi$ между атомами очень велика (обычно больше 1.7–2.0 по шкале Полинга), один атом практически полностью «забирает» электрон у другого. В результате образуется ионная связь. Примером служит связь между натрием (Na, $\chi$ = 0.93) и хлором (Cl, $\chi$ = 3.16) в молекуле NaCl.

Если разница $\Delta\chi$ существует, но она не так велика (обычно от 0.4 до 1.7), общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому. Такая связь называется полярной ковалентной. На атомах возникают частичные заряды: $\delta^+$ на менее электроотрицательном и $\delta^-$ на более электроотрицательном. Классический пример — молекула воды (H₂O), где кислород (O, $\chi$ = 3.44) значительно более электроотрицателен, чем водород (H, $\chi$ = 2.20).

Если атомы имеют одинаковую или очень близкую электроотрицательность ($\Delta\chi$ < 0.4), электронная плотность распределяется между ними симметрично. Такая связь называется неполярной ковалентной. Примеры: молекулы, состоящие из одинаковых атомов (H₂, O₂, N₂), или связь C-H в метане (CH₄).

Электроотрицательность изменяется в периодической системе элементов Д.И. Менделеева предсказуемым образом. В периоде, при движении слева направо, электроотрицательность возрастает. Это связано с увеличением заряда ядра при том же количестве электронных слоев, что усиливает притяжение валентных электронов к ядру. В главной подгруппе, при движении сверху вниз, электроотрицательность, наоборот, уменьшается. Это происходит из-за увеличения числа электронных слоев: валентные электроны оказываются дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними электронами, что ослабляет их притяжение.

Таким образом, самый электроотрицательный элемент — это фтор (F), расположенный в правом верхнем углу таблицы (не считая благородных газов, для которых это понятие применяется реже). Самый низкоэлектроотрицательный (или наиболее электроположительный) элемент — франций (Fr), находящийся в левом нижнем углу.

Существует несколько шкал для количественной оценки электроотрицательности. Наиболее известной и широко используемой является шкала Полинга, разработанная Лайнусом Полингом в 1932 году. Она основана на анализе энергии диссоциации химических связей.

Другой известной является шкала Малликена, которая определяет электроотрицательность атома ($\chi_M$) как полусумму его энергии ионизации ($E_i$) и сродства к электрону ($E_{ea}$):

$\chi_M = \frac{E_i + E_{ea}}{2}$

Эта формула показывает, что атому, который с трудом отдает электрон (высокая $E_i$) и с легкостью его принимает (высокая $E_{ea}$), соответствует высокая электроотрицательность.

Ответ: Электроотрицательность — это относительная способность атома в молекуле притягивать к себе общие электронные пары, то есть электроны, образующие химическую связь. Это свойство определяет тип химической связи (ионная, ковалентная полярная или ковалентная неполярная) и полярность молекул.

2. Какая химическая связь называется ковалентной полярной? Чем она отличается от ковалентной неполярной связи?

Какая химическая связь называется ковалентной полярной?

Ковалентная полярная связь — это химическая связь, возникающая между атомами разных неметаллов посредством образования общих электронных пар.

Ключевым фактором, определяющим полярность связи, является электроотрицательность (ЭО) — способность атома смещать к себе общие электронные пары. В случае ковалентной полярной связи атомы, участвующие в её образовании, имеют разную электроотрицательность.

Из-за этой разницы общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому. В результате на этом атоме возникает частичный (избыточный) отрицательный заряд, который обозначается как $\delta^-$ (дельта-минус), а на менее электроотрицательном атоме — частичный (недостаточный) положительный заряд, обозначаемый как $\delta^+$ (дельта-плюс). Такая молекула становится электрическим диполем, то есть имеет два полюса — положительный и отрицательный.

Типичными примерами соединений с ковалентной полярной связью являются вода ($H_2O$), хлороводород ($HCl$), аммиак ($NH_3$). Например, в молекуле хлороводорода атом хлора значительно более электроотрицателен, чем атом водорода, поэтому электронная пара сильно смещена к хлору, что можно изобразить как $H^{\delta+}-Cl^{\delta-}$.

Ответ: Ковалентной полярной связью называется связь, образованная между атомами с разной электроотрицательностью, в которой общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома, что приводит к появлению на атомах частичных зарядов ($\delta^+$ и $\delta^-$).

Чем она отличается от ковалентной неполярной связи?

Основное отличие ковалентной полярной связи от ковалентной неполярной заключается в характере распределения общей электронной пары между связанными атомами, что напрямую зависит от разницы в их электроотрицательности.

Ковалентная неполярная связь:
- Образуется между атомами одного и того же химического элемента-неметалла (например, в молекулах $H_2, O_2, N_2, F_2$) или атомами с очень близкими значениями электроотрицательности (разница $\Delta\text{ЭО} < 0.4$).
- Электроотрицательность атомов одинакова или почти одинакова.
- Общая электронная пара (электронное облако) распределена симметрично между ядрами атомов.
- Смещения электронной плотности нет, частичные заряды на атомах не возникают.

Ковалентная полярная связь:
- Образуется между атомами разных химических элементов-неметаллов (например, в молекулах $H_2O, HCl, CO_2$).
- Электроотрицательность атомов различна (разница $\Delta\text{ЭО}$ находится в диапазоне примерно от 0.4 до 1.7).
- Общая электронная пара смещена в сторону атома с большей электроотрицательностью.
- Возникают частичные заряды ($\delta^+$ и $\delta^-$) на атомах, образуя диполь.

Ответ: Ковалентная полярная связь отличается от неполярной тем, что образуется между атомами с разной электроотрицательностью, что вызывает неравномерное (смещенное) распределение общей электронной пары и появление на атомах частичных зарядов. В неполярной связи, образованной атомами с одинаковой электроотрицательностью, электронная пара распределена симметрично, и заряды не возникают.

3. Запишите схемы образования ковалентных связей в молекулах метана $CH_4$ и тетрахлорметана $CCl_4$.

Ковалентная связь — это химическая связь, возникающая между двумя атомами за счет образования общих электронных пар. Механизм её образования заключается в перекрывании электронных облаков атомов. Рассмотрим схемы образования связей в молекулах метана и тетрахлорметана.

Схема образования ковалентных связей в молекуле метана (CH₄)

1. Анализ атомов-участников. Молекула метана состоит из одного атома углерода (C) и четырех атомов водорода (H).
- Атом углерода (C) находится в 14-й группе (IVA) и 2-м периоде периодической системы. Его порядковый номер 6, электронная конфигурация $1s^22s^22p^2$. На внешнем уровне находятся 4 валентных электрона. В соединениях атом углерода обычно находится в возбужденном состоянии ($1s^22s^12p^3$), что позволяет ему образовать четыре связи. Для образования равноценных связей в метане происходит $sp^3$-гибридизация атомных орбиталей углерода, в результате чего образуются четыре одинаковые гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра.
- Атом водорода (H) находится в 1-й группе (IA) и 1-м периоде. Его порядковый номер 1, электронная конфигурация $1s^1$. Он имеет один валентный электрон.

2. Механизм образования связей. Атом углерода образует четыре ковалентные связи, предоставляя по одному электрону на каждую связь. Каждый из четырех атомов водорода также предоставляет по одному электрону. Четыре гибридные $sp^3$-орбитали углерода перекрываются с $1s$-орбиталями четырех атомов водорода, образуя четыре прочные сигма-связи (σ-связи) C-H. В результате каждый атом водорода приобретает устойчивую двухэлектронную оболочку (дуплет), а атом углерода — устойчивую восьмиэлектронную оболочку (октет).

3. Схемы. Схематически образование общих электронных пар (обозначены двоеточием) можно представить так:
Электронная формула Льюиса для метана: $ \begin{matrix} & H & \\ & \vdots & \\ H : & C & : H \\ & \vdots & \\ & H & \end{matrix} $
Структурная (графическая) формула, отражающая геометрию молекулы: $ \begin{matrix} & H & \\ & | & \\ H & -C- & H \\ & | & \\ & H & \end{matrix} $

Ответ: В молекуле метана $CH_4$ один атом углерода (4 валентных электрона) образует четыре одинарные ковалентные полярные связи с четырьмя атомами водорода (по 1 валентному электрону у каждого). Связи образуются путем обобществления электронов с формированием четырех общих электронных пар.

Схема образования ковалентных связей в молекуле тетрахлорметана (CCl₄)

1. Анализ атомов-участников. Молекула тетрахлорметана состоит из одного атома углерода (C) и четырех атомов хлора (Cl).
- Атом углерода (C), аналогично метану, находится в $sp^3$-гибридизованном состоянии и предоставляет четыре валентных электрона для образования связей.
- Атом хлора (Cl) находится в 17-й группе (VIIA) и 3-м периоде. Его порядковый номер 17, электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^23p^5$. На внешнем уровне находятся 7 валентных электронов, из которых один неспаренный на $p$-орбитали, который и участвует в образовании связи.

2. Механизм образования связей. Атом углерода формирует четыре общие электронные пары с четырьмя атомами хлора. Каждая связь C-Cl образуется при перекрывании одной $sp^3$-гибридной орбитали углерода и одной $p$-орбитали хлора, на каждой из которых было по одному неспаренному электрону. В результате образуются четыре одинарные ковалентные полярные σ-связи. Атом углерода и каждый из атомов хлора достигают завершенного октета электронов.

3. Схемы. Схема с указанием всех валентных электронов (связывающих и неподеленных пар):
Электронная формула Льюиса для тетрахлорметана: $ \begin{matrix} & :\ddot{Cl}: & \\ & \vdots & \\ :\ddot{Cl}: & C & :\ddot{Cl}: \\ & \vdots & \\ & :\ddot{Cl}: & \end{matrix} $
Структурная (графическая) формула: $ \begin{matrix} & Cl & \\ & | & \\ Cl & -C- & Cl \\ & | & \\ & Cl & \end{matrix} $

Ответ: В молекуле тетрахлорметана $CCl_4$ один атом углерода образует четыре одинарные ковалентные полярные связи с четырьмя атомами хлора. Каждая связь формируется за счет общей электронной пары, состоящей из одного электрона от углерода и одного электрона от хлора. В результате все атомы в молекуле имеют завершенную восьмиэлектронную внешнюю оболочку.

4. Запишите схемы образования ковалентных связей в молекуле пероксида водорода $H_2O_2$

Решение

Молекула пероксида (перекиси) водорода имеет химическую формулу $H_2O_2$. Она состоит из двух атомов водорода (H) и двух атомов кислорода (O). Связи в этой молекуле образуются по ковалентному механизму, так как она состоит из атомов неметаллов.

Для того чтобы составить схему образования связей, рассмотрим электронное строение атомов водорода и кислорода.

• Атом водорода (H) находится в 1-й группе, 1-го периода. Его порядковый номер 1. Электронная конфигурация атома: $1s^1$. На единственном внешнем электронном слое у водорода находится один неспаренный электрон. Для завершения внешнего слоя (образования стабильного дуплета) атому водорода не хватает одного электрона, поэтому он образует одну ковалентную связь.
• Атом кислорода (O) находится в 16-й группе (VIА), 2-го периода. Его порядковый номер 8. Электронная конфигурация атома: $1s^22s^22p^4$. На внешнем электронном слое у кислорода 6 валентных электронов ($2s^22p^4$), из которых два являются неспаренными. Для завершения внешнего слоя (образования стабильного октета) атому кислорода не хватает двух электронов, поэтому он образует две ковалентные связи.

Процесс образования ковалентных связей в молекуле $H_2O_2$ можно описать поэтапно, используя электронные формулы (схемы Льюиса):

1. Сначала два атома кислорода образуют между собой одинарную ковалентную связь. Каждый атом кислорода предоставляет по одному неспаренному электрону для создания общей электронной пары. Эта связь является ковалентной неполярной, так как соединяет атомы одного и того же элемента с одинаковой электроотрицательностью.

$ \cdot\ddot{O}\cdot \; + \; \cdot\ddot{O}\cdot \longrightarrow \cdot\ddot{O}:\ddot{O}\cdot $

2. После образования связи O–O у каждого атома кислорода остается еще по одному неспаренному электрону. Эти электроны используются для образования связей с двумя атомами водорода. Каждый атом водорода предоставляет свой единственный электрон для создания общей пары с атомом кислорода.

$ H\cdot \; + \; \cdot\ddot{O}:\ddot{O}\cdot \; + \; \cdot H \longrightarrow H:\ddot{O}:\ddot{O}:H $

Таким образом, образуются две связи O–H. Эти связи являются ковалентными полярными, так как электроотрицательность кислорода (≈3,44) значительно выше электроотрицательности водорода (≈2,20). Общие электронные пары в связях O–H смещены в сторону более электроотрицательных атомов кислорода.

В результате в молекуле пероксида водорода $H_2O_2$ каждый атом водорода достигает стабильного дуплета (2 электрона), а каждый атом кислорода — стабильного октета (8 электронов).

Итоговая электронная и структурная формулы молекулы:

Электронная формула: $H:\ddot{O}:\ddot{O}:H$
Структурная формула: $H-O-O-H$

Ответ: Схема образования связей в молекуле $H_2O_2$: два атома кислорода образуют одну одинарную ковалентную неполярную связь (O–O), предоставляя по одному неспаренному электрону. Затем каждый атом кислорода образует по одной одинарной ковалентной полярной связи с атомом водорода (O–H). Общая электронная схема молекулы: $H:\ddot{O}:\ddot{O}:H$.

5. Расположите в ряд по увеличению полярности ковалентной связи формулы следующих веществ:

а) бромоводород;

б) фтороводород;

в) хлороводород;

г) иодоводород.

Поясните свой ответ.

Решение

Полярность ковалентной связи определяется разностью электроотрицательностей (${\Delta \chi}$) атомов, образующих эту связь. Чем больше эта разность, тем полярнее связь.

В задаче представлены следующие вещества — галогеноводороды:

• а) бромоводород, формула $HBr$
• б) фтороводород, формула $HF$
• в) хлороводород, формула $HCl$
• г) иодоводород, формула $HI$

Все эти молекулы состоят из атома водорода и атома галогена. Галогены (фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I) находятся в 17-й группе периодической системы. Электроотрицательность в группе галогенов уменьшается сверху вниз, то есть от фтора к иоду.

Таким образом, ряд электроотрицательности для галогенов выглядит следующим образом: $\chi(F) > \chi(Cl) > \chi(Br) > \chi(I)$.

Так как электроотрицательность водорода — величина постоянная, разность электроотрицательностей ${\Delta \chi}$ между водородом и галогеном будет наибольшей для фтора и наименьшей для иода.

Следовательно, полярность связи в ряду галогеноводородов уменьшается в следующей последовательности: $HF > HCl > HBr > HI$.

Для того чтобы расположить вещества в порядке увеличения полярности ковалентной связи, необходимо выстроить их в обратном порядке: от наименее полярной связи (в $HI$) к наиболее полярной (в $HF$).

Ответ: г) иодоводород ($HI$), а) бромоводород ($HBr$), в) хлороводород ($HCl$), б) фтороводород ($HF$).

б. Запишите структурные формулы и определите знаки частичных зарядов на атомах в молекулах аммиака $NH_3$ и сернистого газа $SO_2$.

Аммиак ($NH_3$)

Решение:
Молекула аммиака состоит из одного атома азота ($N$) и трех атомов водорода ($H$). Атом азота имеет 5 валентных электронов, а атом водорода — 1.
1. Структурная формула. Атом азота образует три одинарные ковалентные связи с тремя атомами водорода. У атома азота остается одна неподеленная электронная пара. Из-за отталкивания этой неподеленной пары от связывающих пар молекула приобретает форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине.

 .. N / | \ H H H 

2. Частичные заряды. Для определения знаков частичных зарядов (${\delta}$) необходимо сравнить электроотрицательности (${\chi}$) атомов. Электроотрицательность азота (${\chi}$(N) ≈ 3.04) больше, чем электроотрицательность водорода (${\chi}$(H) ≈ 2.20).
Так как азот более электроотрицателен, он притягивает к себе общие электронные пары в связях $N-H$. В результате на атоме азота возникает частичный отрицательный заряд (${\delta}$-), а на каждом из атомов водорода — частичный положительный заряд (${\delta}$+).

 .. Nδ- / | \ Hδ+ Hδ+ Hδ+

Ответ: В молекуле аммиака ($NH_3$) на атоме азота локализован частичный отрицательный заряд (${\delta}$-), а на каждом из трех атомов водорода — частичный положительный заряд (${\delta}$+).

Сернистый газ ($SO_2$)

Решение:
Молекула сернистого газа (диоксида серы) состоит из одного атома серы ($S$) и двух атомов кислорода ($O$). Атомы серы и кислорода имеют по 6 валентных электронов.
1. Структурная формула. Центральным атомом является сера. Она образует связи с двумя атомами кислорода. На атоме серы также остается одна неподеленная электронная пара. Наличие этой пары приводит к тому, что молекула имеет угловую (изогнутую) форму. Связи в молекуле являются полярными ковалентными.

 .. S / \ O O 

2. Частичные заряды. Электроотрицательность кислорода (${\chi}$(O) ≈ 3.44) значительно выше, чем у серы (${\chi}$(S) ≈ 2.58).
Поэтому электронная плотность в связях $S-O$ смещена к более электроотрицательным атомам кислорода. Это приводит к возникновению частичного положительного заряда (${\delta}$+) на атоме серы и частичных отрицательных зарядов (${\delta}$-) на каждом из двух атомов кислорода.

 .. Sδ+ / \ Oδ- Oδ-

Ответ: В молекуле сернистого газа ($SO_2$) на атоме серы локализован частичный положительный заряд (${\delta}$+), а на каждом из двух атомов кислорода — частичный отрицательный заряд (${\delta}$-).