Страница 84 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

7-7. Расположите в ряд по возрастанию степени ионности связи следующие соединения:

а) $NaCl$, $NaI$, $NaBr$, $NaF$;

б) $K_2S$, $K_2O$, $KF$, $KCl$.

Степень ионности химической связи определяется разностью электроотрицательностей (ЭО) атомов, образующих эту связь. Чем больше разность электроотрицательностей ($\Delta\chi$), тем выше степень ионности связи. Электроотрицательность элементов является периодическим свойством: в периодах она возрастает слева направо, а в главных подгруппах уменьшается сверху вниз.

а) NaCl, NaI, NaBr, NaF

Во всех этих соединениях катион одинаковый – натрий (Na). Анионы – это галогены (F, Cl, Br, I), которые находятся в одной группе периодической системы. Их электроотрицательность уменьшается при движении по группе сверху вниз. Таким образом, ряд электроотрицательности для этих элементов выглядит так: I < Br < Cl < F.

Поскольку электроотрицательность натрия – постоянная величина, разность электроотрицательностей ($\Delta\chi$) между натрием и галогеном будет наименьшей для иода (NaI) и наибольшей для фтора (NaF). Следовательно, степень ионности связи будет возрастать в следующем порядке:

$\Delta\chi(\text{Na–I}) < \Delta\chi(\text{Na–Br}) < \Delta\chi(\text{Na–Cl}) < \Delta\chi(\text{Na–F})$

Ответ: NaI, NaBr, NaCl, NaF.

б) K₂S, K₂O, KF, KCl

В данных соединениях катион также одинаковый – калий (K). Анионы – это сера (S), кислород (O), фтор (F) и хлор (Cl). Чтобы определить порядок возрастания ионности связи, нужно расположить эти неметаллы в порядке возрастания их электроотрицательности.

Исходя из их положения в периодической таблице (ЭО растет вверх и вправо), ряд возрастания электроотрицательности будет следующим: S < Cl < O < F. (Значения ЭО по Полингу: S ≈ 2.58, Cl ≈ 3.16, O ≈ 3.44, F ≈ 3.98).

Так как катион (K) во всех случаях один и тот же, разность электроотрицательностей ($\Delta\chi$) и, соответственно, степень ионности связи будут увеличиваться в том же порядке, что и электроотрицательность аниона:

$\Delta\chi(\text{K–S}) < \Delta\chi(\text{K–Cl}) < \Delta\chi(\text{K–O}) < \Delta\chi(\text{K–F})$

Ответ: K₂S, KCl, K₂O, KF.

7-8. В молекуле аммиака $NH_3$ атом азота образует три ординарные связи или одну тройную связь?

Решение

Чтобы определить тип химической связи в молекуле аммиака ($NH_3$), необходимо проанализировать электронное строение атомов, входящих в ее состав.

1. Электронное строение. Атом азота ($N$) расположен в 15-й группе периодической таблицы и имеет 5 валентных электронов ($2s^22p^3$). Для достижения стабильной восьмиэлектронной оболочки (завершения октета) атому азота не хватает трех электронов. Атом водорода ($H$) имеет 1 валентный электрон ($1s^1$) и для достижения стабильной двухэлектронной оболочки (дуплета) ему необходим еще один электрон.

2. Образование связей. В молекуле аммиака один центральный атом азота связан с тремя атомами водорода. Каждый атом водорода может образовать только одну, одинарную (ординарную), связь, поскольку у него всего один неспаренный электрон.

3. Структура молекулы. Атом азота предоставляет три своих неспаренных электрона для образования трех ковалентных связей с тремя атомами водорода. Каждая связь $N-H$ является общей электронной парой, состоящей из одного электрона от азота и одного электрона от водорода. Оставшиеся два валентных электрона азота образуют неподеленную электронную пару, которая не участвует в образовании связей с водородом.

В результате такого взаимодействия атом азота оказывается окруженным восемью электронами (3 × 2 в связях + 2 в неподеленной паре), что соответствует правилу октета. Каждый атом водорода имеет по два электрона, завершая свой электронный уровень. Структурная формула Льюиса для аммиака выглядит так:

$H - \underset{\large{\cdot \cdot}}{\overset{\Large H}{\underset{|}{\text{N}}}} - H$

Вариант с одной тройной связью невозможен. Тройная связь может соединять только два атома. В молекуле $NH_3$ атом азота связан с тремя разными атомами водорода. Кроме того, атом водорода принципиально не может участвовать в образовании тройной связи, так как он может принять на свою $1s$-орбиталь только один дополнительный электрон.

Ответ: В молекуле аммиака $NH_3$ атом азота образует три ординарные (одинарные) связи с тремя атомами водорода.

7-9. В молекуле хлорида фосфора(III) атом фосфора образует одну тройную связь или три ординарные связи?

7-9.

Для того чтобы определить тип связей в молекуле хлорида фосфора(III), необходимо проанализировать состав молекулы и электронное строение составляющих её атомов.

Химическая формула хлорида фосфора(III) соответствует составу $PCl_3$. Это означает, что один атом фосфора (P) соединён с тремя атомами хлора (Cl).

Рассмотрим электронные конфигурации валентных оболочек атомов:

• Фосфор (P) является элементом 15-й группы периодической таблицы. Его электронная конфигурация валентного слоя — $3s^23p^3$. У него 5 валентных электронов, из которых 3 являются неспаренными. Для достижения стабильного октета (8 электронов) атому фосфора необходимо образовать 3 ковалентные связи.
• Хлор (Cl) является элементом 17-й группы (галоген). Его электронная конфигурация валентного слоя — $3s^23p^5$. У него 7 валентных электронов, из которых 1 неспаренный. Для достижения стабильного октета атому хлора достаточно образовать одну ковалентную связь.

Исходя из этого, в молекуле $PCl_3$ центральный атом фосфора использует свои три неспаренных электрона для формирования трёх отдельных ковалентных связей с тремя атомами хлора. Каждый атом хлора, в свою очередь, предоставляет по одному своему неспаренному электрону для образования одной связи с фосфором.

В результате атом фосфора образует три одинарные (ординарные) связи P–Cl. При этом у атома фосфора остаётся одна неподелённая электронная пара ($3s^2$), а у каждого атома хлора — по три неподелённые пары. Все атомы в молекуле достигают стабильной восьмиэлектронной конфигурации.

Гипотеза об образовании одной тройной связи противоречит составу молекулы ($PCl_3$), который указывает на наличие трёх атомов хлора. Кроме того, образование тройной связи между фосфором и хлором ($P \equiv Cl$) крайне маловероятно, поскольку для хлора, как и для других галогенов, характерно образование только одинарных связей.

Ответ: В молекуле хлорида фосфора(III) атом фосфора образует три ординарные связи.

7-10. Могут ли быть две $ \sigma $-связи а) между двумя атомами; б) у одного из атомов в бинарном соединении?

а) между двумя атомами;

Решение: Сигма-связь ($\sigma$-связь) образуется в результате осевого ("лобового") перекрывания атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра связываемых атомов. Для любой пары атомов существует только одна такая линия. Следовательно, между двумя атомами может образоваться только одна $\sigma$-связь. Если между атомами возникают кратные связи (двойная или тройная), то первая из них всегда является $\sigma$-связью, а все последующие — пи-связями ($\pi$-связями). $\pi$-связи образуются при боковом перекрывании p- или d-орбиталей, оси которых перпендикулярны линии $\sigma$-связи. Таким образом, образование двух $\sigma$-связей между одной и той же парой атомов невозможно.

Ответ: Нет, между двумя атомами не может быть двух $\sigma$-связей.

б) у одного из атомов в бинарном соединении?

Решение: Да, у одного атома в бинарном соединении (т.е. соединении, состоящем из двух элементов) может быть две или более $\sigma$-связи, но они будут образованы с разными атомами.
Рассмотрим примеры:
1. Молекула воды ($H_2O$). Это бинарное соединение. Центральный атом кислорода образует две одинарные ковалентные связи с двумя атомами водорода. Каждая из этих связей является $\sigma$-связью. Таким образом, у атома кислорода есть две $\sigma$-связи.
2. Молекула диоксида углерода ($CO_2$). Атом углерода связан с двумя атомами кислорода двойными связями. Каждая двойная связь состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи. Следовательно, центральный атом углерода образует две $\sigma$-связи (по одной с каждым атомом кислорода).
3. Молекула метана ($CH_4$). Атом углерода связан с четырьмя атомами водорода, образуя четыре $\sigma$-связи.
Таким образом, ситуация, когда у одного атома в молекуле есть несколько $\sigma$-связей, является типичной для химии.

Ответ: Да, у одного из атомов в бинарном соединении может быть две $\sigma$-связи, если он связан с двумя другими атомами.

7-11. В молекуле азота тройная связь. Сколько $\sigma$- и сколько $\pi$-связей в молекуле азота?

7-11.

Решение

Молекула азота ($N_2$) состоит из двух атомов азота. Атом азота (N) — элемент 15-й группы периодической таблицы с порядковым номером 7. Его электронная конфигурация — $1s^2 2s^2 2p^3$. На внешнем электронном слое (валентном) находится 5 электронов. Для достижения стабильной восьмиэлектронной оболочки (электронного октета), как у благородного газа неона, каждому атому азота необходимо приобрести 3 электрона.

При образовании молекулы $N_2$ два атома азота объединяются, образуя три общие электронные пары. В результате между атомами возникает тройная ковалентная связь, которую принято обозначать как $N \equiv N$.

Любая кратная связь между двумя атомами состоит из одной сигма-связи ($\sigma$-связи) и одной или нескольких пи-связей ($\pi$-связей). Правило таково:

1. Первая связь, образующаяся между двумя атомами, всегда является $\sigma$-связью. Она возникает в результате прямого (осевого) перекрывания атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов.

2. Все последующие связи между этими же атомами (вторая, третья) являются $\pi$-связями. Они образуются при боковом перекрывании p-орбиталей, оси которых параллельны друг другу и перпендикулярны оси $\sigma$-связи.

Исходя из этого правила, тройная связь в молекуле азота ($N \equiv N$) состоит из одной $\sigma$-связи и двух $\pi$-связей.

Ответ: в молекуле азота одна $\sigma$-связь и две $\pi$-связи.

7-12. Составьте электронные и графические формулы веществ:

а) $F_2$, $HF$, $OF_2$;

б) $Cl_2$, $HCl$, $SCl_2$. Укажите направление смещения электронной плотности и определите тип химической связи.

Молекула фтора $F_2$
Атом фтора (F) имеет 7 валентных электронов на внешнем уровне ($2s^22p^5$). Для завершения внешней электронной оболочки до стабильного октета (8 электронов) каждому атому фтора не хватает одного электрона. Поэтому два атома фтора образуют одну общую электронную пару, формируя одинарную связь.
Электронная формула (формула Льюиса): $:\ddot{F}:\ddot{F}:$
Графическая (структурная) формула: $:\ddot{F}-\ddot{F}:$
Смещение электронной плотности и тип связи:
Молекула образована атомами одного и того же химического элемента, их электроотрицательности равны. Поэтому общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов, а распределена симметрично. Смещение электронной плотности отсутствует. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Молекула фтороводорода $HF$
Атом водорода (H) имеет 1 валентный электрон ($1s^1$). Атом фтора (F) имеет 7 валентных электронов ($2s^22p^5$). Для образования устойчивой электронной оболочки (дуплета у водорода и октета у фтора) атомы образуют одну общую электронную пару.
Электронная формула: $H:\ddot{F}:$
Графическая формула: $H-\ddot{F}:$
Смещение электронной плотности и тип связи:
Фтор — самый электроотрицательный элемент. Его электроотрицательность (ЭО) значительно выше, чем у водорода. Из-за разницы в ЭО общая электронная пара сильно смещена в сторону атома фтора. На атоме фтора возникает частичный отрицательный заряд ($\delta^-$), а на атоме водорода — частичный положительный заряд ($\delta^+$). Направление смещения: $H^{\delta+} \rightarrow F^{\delta-}$. Связь, образованная атомами разных неметаллов со смещением электронной плотности, называется ковалентной полярной.

Молекула дифторида кислорода $OF_2$
Центральным атомом является кислород (O), имеющий 6 валентных электронов ($2s^22p^4$) и способный образовать две связи. Атом фтора (F) имеет 7 валентных электронов ($2s^22p^5$) и образует одну связь. Атом кислорода образует две одинарные связи с двумя атомами фтора. У кислорода остаются две неподеленные электронные пары, у каждого фтора - по три.
Электронная формула: $:\ddot{F}:\ddot{O}:\ddot{F}:$
Графическая формула: $:\ddot{F}-\ddot{O}-\ddot{F}:$
Смещение электронной плотности и тип связи:
Электроотрицательность фтора (3.98) больше электроотрицательности кислорода (3.44). Поэтому в каждой связи O–F общая электронная пара смещена к атому фтора. На атомах фтора возникают частичные отрицательные заряды ($\delta^-$), а на атоме кислорода — частичный положительный заряд ($2\delta^+$). Направление смещения в каждой связи: $O \rightarrow F$. Связи являются ковалентными полярными.

Ответ: В молекуле $F_2$ химическая связь ковалентная неполярная, смещение электронной плотности отсутствует. В молекулах $HF$ и $OF_2$ химические связи ковалентные полярные; электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому фтора.

Молекула хлора $Cl_2$
Атом хлора (Cl) — галоген, имеет 7 валентных электронов ($3s^23p^5$). Для достижения октета каждому атому хлора не хватает одного электрона. Два атома хлора образуют одну общую электронную пару, формируя одинарную связь.
Электронная формула: $:\ddot{Cl}:\ddot{Cl}:$
Графическая формула: $:\ddot{Cl}-\ddot{Cl}:$
Смещение электронной плотности и тип связи:
Молекула образована одинаковыми атомами неметалла, их электроотрицательности равны. Общая электронная пара располагается симметрично относительно ядер обоих атомов. Смещение электронной плотности отсутствует. Связь является ковалентной неполярной.

Молекула хлороводорода $HCl$
Атом водорода (H) имеет 1 валентный электрон ($1s^1$), атом хлора (Cl) — 7 валентных электронов ($3s^23p^5$). Атомы образуют одну общую электронную пару для достижения стабильных электронных конфигураций (дуплета у H, октета у Cl).
Электронная формула: $H:\ddot{Cl}:$
Графическая формула: $H-\ddot{Cl}:$
Смещение электронной плотности и тип связи:
Хлор более электроотрицателен (3.16), чем водород (2.20). Общая электронная пара смещена к атому хлора. На атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд ($\delta^-$), а на атоме водорода — частичный положительный ($\delta^+$). Направление смещения: $H^{\delta+} \rightarrow Cl^{\delta-}$. Связь ковалентная полярная.

Молекула дихлорида серы $SCl_2$
Центральным атомом является сера (S), имеющая 6 валентных электронов ($3s^23p^4$). Атом хлора (Cl) имеет 7 валентных электронов ($3s^23p^5$). Атом серы образует две одинарные связи с двумя атомами хлора. У серы остаются две неподеленные электронные пары, у каждого атома хлора - по три.
Электронная формула: $:\ddot{Cl}:\ddot{S}:\ddot{Cl}:$
Графическая формула: $:\ddot{Cl}-\ddot{S}-\ddot{Cl}:$
Смещение электронной плотности и тип связи:
Электроотрицательность хлора (3.16) выше, чем у серы (2.58). В каждой связи S–Cl электронная плотность смещена к атому хлора. На атомах хлора возникают частичные отрицательные заряды ($\delta^-$), а на атоме серы — частичный положительный заряд ($2\delta^+$). Направление смещения в каждой связи: $S \rightarrow Cl$. Связи являются ковалентными полярными.

Ответ: В молекуле $Cl_2$ химическая связь ковалентная неполярная, смещение электронной плотности отсутствует. В молекулах $HCl$ и $SCl_2$ химические связи ковалентные полярные; электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому хлора.

7-13. Составьте электронные и графические формулы веществ:

а) $O_2$, $Cl_2O$, $H_2O_2$;

б) $P_2$, $PH_3$, $PCl_3$.

Укажите направление смещения электронной плотности и назовите тип химической связи.

Решение:

 ·· ·· :O::O: ·· ··

 O=O 

 ·· ·· :O: ·· :Cl: ·· :Cl: ·· ··

 Cl-O-Cl 

 ·· ·· H:O : O:H ·· ··

 H-O-O-H 

Решение:

 :P:::P: 

 P≡P 

 ·· H:P:H : H 

 H | H-P-H 

 ·· :Cl:P:Cl: ·· :Cl: ·· ··(c неподеленными парами у всех атомов хлора)

 Cl |Cl-P-Cl 

7-14. Составьте электронные и графические формулы веществ:

а) $CH_4$,

б) $BeCl_2$,

в) $BF_3$.

Укажите направление смещения электронной плотности и определите тип химической связи.

а) $CH_4$ (метан)

Решение:

Атом углерода (C) находится в 14-й группе (IVA) периодической системы и имеет 4 валентных электрона ($2s^22p^2$). Атом водорода (H) находится в 1-й группе (IA) и имеет 1 валентный электрон ($1s^1$).

Электронная формула (формула Льюиса):
Центральным атомом является углерод. Он образует четыре одинарные связи с четырьмя атомами водорода. В результате атом углерода достигает стабильного октета (8 электронов), а каждый атом водорода — стабильного дублета (2 электрона).

H
..
H : C : H
..
H

Графическая формула:
Каждая общая электронная пара (химическая связь) изображается черточкой.

H
|
H - C - H
|
H

Направление смещения электронной плотности и тип связи:
Электроотрицательность углерода (2,55) немного больше электроотрицательности водорода (2,20). Разница электроотрицательностей $Δχ = 2.55 - 2.20 = 0.35$. Поэтому электронная плотность в каждой связи C-H смещена от атома водорода к атому углерода. Это можно изобразить стрелкой $H \rightarrow C$ или указанием частичных зарядов $H^{\delta+} - C^{\delta-}$.
Связь между атомами с разной, но близкой электроотрицательностью, является ковалентной полярной.

Ответ: Электронная и графическая формулы представлены выше. Направление смещения электронной плотности в каждой связи — от атома водорода к атому углерода. Тип химической связи — ковалентная полярная.

б) $BeCl_2$ (хлорид бериллия)

Решение:

Атом бериллия (Be) находится во 2-й группе (IIA) и имеет 2 валентных электрона ($2s^2$). Атом хлора (Cl) находится в 17-й группе (VIIA) и имеет 7 валентных электронов ($3s^23p^5$).

Электронная формула (формула Льюиса):
Центральным атомом является бериллий. Он образует две одинарные связи с двумя атомами хлора. У каждого атома хлора имеется по 3 неподеленные электронные пары. Атом бериллия в данном соединении является исключением из правила октета, так как его валентная оболочка содержит только 4 электрона.

.. ..
: Cl : Be : Cl :
¨ ¨

Графическая формула:

Cl - Be - Cl

Направление смещения электронной плотности и тип связи:
Электроотрицательность хлора (3,16) значительно больше электроотрицательности бериллия (1,57). Разница электроотрицательностей $Δχ = 3.16 - 1.57 = 1.59$. Электронная плотность в каждой связи Be-Cl сильно смещена от атома бериллия к атому хлора. Направление смещения: $Be \rightarrow Cl$ или $Be^{\delta+} - Cl^{\delta-}$.
Связь между атомами с существенной разницей в электроотрицательности является ковалентной полярной.

Ответ: Электронная и графическая формулы представлены выше. Направление смещения электронной плотности в каждой связи — от атома бериллия к атому хлора. Тип химической связи — ковалентная полярная.

в) $BF_3$ (фторид бора)

Решение:

Атом бора (B) находится в 13-й группе (IIIA) и имеет 3 валентных электрона ($2s^22p^1$). Атом фтора (F) находится в 17-й группе (VIIA) и имеет 7 валентных электронов ($2s^22p^5$).

Электронная формула (формула Льюиса):
Центральным атомом является бор. Он образует три одинарные связи с тремя атомами фтора. У каждого атома фтора имеется по 3 неподеленные электронные пары. Атом бора в этом соединении также является исключением из правила октета, имея на валентной оболочке 6 электронов.

:F:
¨
:F: : B : :F:
¨ ¨ ¨

Графическая формула:

F
|
F - B - F

Направление смещения электронной плотности и тип связи:
Фтор — самый электроотрицательный элемент (3,98), его электроотрицательность намного больше, чем у бора (2,04). Разница электроотрицательностей $Δχ = 3.98 - 2.04 = 1.94$ очень велика. Электронная плотность в каждой связи B-F сильно смещена от атома бора к атому фтора. Направление смещения: $B \rightarrow F$ или $B^{\delta+} - F^{\delta-}$.
Связь является ковалентной сильно полярной.

Ответ: Электронная и графическая формулы представлены выше. Направление смещения электронной плотности в каждой связи — от атома бора к атому фтора. Тип химической связи — ковалентная полярная.

7-15. Сколько $\sigma$- и сколько $\pi$-связей в молекуле воды?

Решение

Молекула воды имеет химическую формулу $H_2O$. Она состоит из одного атома кислорода ($O$) и двух атомов водорода ($H$).

Структурная формула молекулы воды, показывающая связи между атомами, выглядит следующим образом: H–O–H. Как видно из формулы, атом кислорода соединен с каждым из двух атомов водорода простой (одинарной) ковалентной связью.

Согласно теории химической связи:

1. Любая одинарная связь является $\sigma$-связью (сигма-связью).
2. Любая двойная связь состоит из одной $\sigma$-связи и одной $\pi$-связи (пи-связи).
3. Любая тройная связь состоит из одной $\sigma$-связи и двух $\pi$-связей.

В молекуле воды мы имеем две одинарные связи O–H. Каждая из этих связей является $\sigma$-связью. Двойные или тройные связи в молекуле воды отсутствуют, следовательно, $\pi$-связей в ней нет.

Таким образом, в молекуле воды всего 2 $\sigma$-связи и 0 $\pi$-связей.

Ответ: в молекуле воды 2 $\sigma$-связи и 0 $\pi$-связей.

7-16. Определите число $\sigma$- и $\pi$-связей в каждой из молекул:

а) $SF_6$, $SO_3$, $SO_2F_2$, $SO_2$, $SOF_2$;

б) $P_4$, $PH_3$, $POCl_3$, $PSCl_3$, $NOCl$.

Чтобы определить число $\sigma$- (сигма) и $\pi$- (пи) связей в каждой молекуле, необходимо представить ее структурную формулу и применить следующие общие правила:

• Каждая одинарная связь является $\sigma$-связью.
• Каждая двойная связь состоит из одной $\sigma$-связи и одной $\pi$-связи.
• Каждая тройная связь состоит из одной $\sigma$-связи и двух $\pi$-связей.

a)

• SF₆ (гексафторид серы): В этой молекуле центральный атом серы S соединен с шестью атомами фтора F шестью одинарными связями S-F. Каждая одинарная связь является $\sigma$-связью.

  Число $\sigma$-связей: 6.
  Число $\pi$-связей: 0.

  Ответ: 6 $\sigma$-связей и 0 $\pi$-связей.

• SO₃ (триоксид серы): Центральный атом серы S образует с каждым из трех атомов кислорода O по двойной связи (S=O), чтобы минимизировать формальные заряды. Молекула имеет плоское треугольное строение. Каждая двойная связь состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи.

  Число $\sigma$-связей: 3.
  Число $\pi$-связей: 3.

  Ответ: 3 $\sigma$-связи и 3 $\pi$-связи.

• SO₂F₂ (сульфурилфторид): Центральный атом серы S связан с двумя атомами фтора F одинарными связями (S-F) и с двумя атомами кислорода O двойными связями (S=O). Молекула имеет тетраэдрическое строение.

  Число $\sigma$-связей (2 одинарные + 2 двойные): $2 + 2 = 4$.
  Число $\pi$-связей (в двух двойных связях): 2.

  Ответ: 4 $\sigma$-связи и 2 $\pi$-связи.

• SO₂ (диоксид серы): Молекула имеет угловое строение. Структуру можно описать резонансом двух форм, в каждой из которых есть одна одинарная связь S-O и одна двойная связь S=O. Таким образом, в молекуле две связи, соединяющие атомы, что дает две $\sigma$-связи, и одна делокализованная $\pi$-связь.

  Число $\sigma$-связей: 2.
  Число $\pi$-связей: 1.

  Ответ: 2 $\sigma$-связи и 1 $\pi$-связь.

• SOF₂ (тионилфторид): Центральный атом серы S связан с двумя атомами фтора F одинарными связями (S-F) и с одним атомом кислорода O двойной связью (S=O).

  Число $\sigma$-связей (2 одинарные + 1 двойная): $2 + 1 = 3$.
  Число $\pi$-связей (в одной двойной связи): 1.

  Ответ: 3 $\sigma$-связи и 1 $\pi$-связь.

б)

• P₄ (белый фосфор): Молекула имеет структуру тетраэдра, в вершинах которого находятся 4 атома фосфора P. Каждый атом связан с тремя другими одинарными связями P-P. Всего в тетраэдре 6 ребер, каждое из которых является $\sigma$-связью.

  Число $\sigma$-связей: 6.
  Число $\pi$-связей: 0.

  Ответ: 6 $\sigma$-связей и 0 $\pi$-связей.

• PH₃ (фосфин): В молекуле фосфина центральный атом фосфора P образует три одинарные связи P-H с тремя атомами водорода H.

  Число $\sigma$-связей: 3.
  Число $\pi$-связей: 0.

  Ответ: 3 $\sigma$-связи и 0 $\pi$-связей.

• POCl₃ (оксихлорид фосфора): Центральный атом фосфора P связан с тремя атомами хлора Cl одинарными связями (P-Cl) и с одним атомом кислорода O двойной связью (P=O).

  Число $\sigma$-связей (3 одинарные + 1 двойная): $3 + 1 = 4$.
  Число $\pi$-связей (в одной двойной связи): 1.

  Ответ: 4 $\sigma$-связи и 1 $\pi$-связь.

• PSCl₃ (тиофосфорилхлорид): Структура аналогична POCl₃. Центральный атом фосфора P связан с тремя атомами хлора Cl одинарными связями (P-Cl) и с одним атомом серы S двойной связью (P=S).

  Число $\sigma$-связей (3 одинарные + 1 двойная): $3 + 1 = 4$.
  Число $\pi$-связей (в одной двойной связи): 1.

  Ответ: 4 $\sigma$-связи и 1 $\pi$-связь.

• NOCl (нитрозилхлорид): В молекуле атом азота N связан с атомом хлора Cl одинарной связью (N-Cl) и с атомом кислорода O двойной связью (N=O).

  Число $\sigma$-связей (1 одинарная + 1 двойная): $1 + 1 = 2$.
  Число $\pi$-связей (в одной двойной связи): 1.

  Ответ: 2 $\sigma$-связи и 1 $\pi$-связь.

7-17. Приведите примеры бинарных соединений с ординарной, двойной и тройной связью между двумя атомами.

Бинарные соединения — это химические соединения, состоящие из атомов двух различных химических элементов. Ковалентная связь между атомами в таких соединениях образуется за счет обобществления электронов и может быть одинарной, двойной или тройной, в зависимости от количества общих электронных пар.

Ординарная (одинарная) связь

Ординарная, или одинарная, связь образуется, когда два атома обобществляют одну пару валентных электронов (два электрона). Это наиболее распространенный тип ковалентной связи. Графически она изображается одной чертой.

Примеры:

• Этан ($C_2H_6$): В молекуле этана, которая является бинарным соединением углерода и водорода, между двумя атомами углерода существует одинарная связь C–C. Структурная формула: $H_3C–CH_3$.

• Хлороводород ($HCl$): Это бинарное соединение водорода и хлора. В его молекуле атом водорода и атом хлора соединены одинарной полярной ковалентной связью H–Cl.

• Пероксид водорода ($H_2O_2$): В этом бинарном соединении водорода и кислорода присутствует одинарная связь между двумя атомами кислорода O–O. Структурная формула: $H–O–O–H$.

Ответ: Примерами бинарных соединений с одинарной связью являются этан ($C_2H_6$, связь C–C), хлороводород ($HCl$, связь H–Cl) и пероксид водорода ($H_2O_2$, связь O–O).

Двойная связь

Двойная связь возникает, когда два атома делят между собой две пары электронов (четыре электрона). Она прочнее и короче одинарной связи между теми же атомами. Графически изображается двумя чертами.

Примеры:

• Этилен (этен) ($C_2H_4$): В молекуле этилена, бинарного соединения углерода и водорода, два атома углерода соединены двойной связью C=C. Структурная формула: $H_2C=CH_2$.

• Диоксид углерода ($CO_2$): В этом бинарном соединении углерода и кислорода атом углерода связан с каждым из двух атомов кислорода двойной связью. Структурная формула: O=C=O.

Ответ: Примерами бинарных соединений с двойной связью являются этилен ($C_2H_4$, связь C=C) и диоксид углерода ($CO_2$, связи O=C).

Тройная связь

Тройная связь образуется при обобществлении тремя парами электронов (шесть электронов). Это самая короткая и самая прочная из кратных связей между двумя одинаковыми атомами. Графически изображается тремя чертами.

Примеры:

• Ацетилен (этин) ($C_2H_2$): Молекула этого бинарного соединения углерода и водорода содержит тройную связь между двумя атомами углерода C≡C. Структурная формула: $H–C≡C–H$.

• Монооксид углерода (угарный газ) ($CO$): Атомы углерода и кислорода в молекуле этого бинарного соединения соединены тройной связью $C≡O$.

Ответ: Примерами бинарных соединений с тройной связью являются ацетилен ($C_2H_2$, связь C≡C) и монооксид углерода ($CO$, связь C≡O).

7-18. Выберите вещества, в молекулах которых содержится:

а) двойная связь,

б) тройная связь: $C_2H_2$, $C_2H_6$, $C_2H_4$, $S_2$, $NH_3$, $CO_2$, $H_2S$, $CH_4$, $N_2$.

Решение

Для определения типа химической связи в молекулах необходимо проанализировать их электронное строение. Тип связи (одинарная, двойная или тройная) зависит от количества общих электронных пар между атомами. Рассмотрим каждое вещество из предложенного списка.

а) Выберем вещества, в молекулах которых содержится двойная связь.

• $C_2H_4$ (этен или этилен). В молекуле этена два атома углерода соединены между собой одной $\sigma$-связью и одной $\pi$-связью, что в совокупности образует двойную связь ($C=C$). Каждый атом углерода также связан с двумя атомами водорода одинарными связями. Структурная формула: $H_2C=CH_2$.

• $S_2$ (дисера). Атом серы, как и атом кислорода, имеет 6 валентных электронов. Для достижения стабильной электронной конфигурации два атома серы образуют между собой двойную связь ($S=S$), аналогично молекуле кислорода $O_2$.

• $CO_2$ (диоксид углерода или углекислый газ). В молекуле $CO_2$ атом углерода образует две двойные связи с двумя атомами кислорода. Структурная формула: $O=C=O$.

Таким образом, вещества, содержащие двойные связи, это этен, дисера и диоксид углерода.

Ответ: $C_2H_4, S_2, CO_2$.

б) Выберем вещества, в молекулах которых содержится тройная связь.

• $C_2H_2$ (этин или ацетилен). В молекуле ацетилена два атома углерода соединены между собой одной $\sigma$-связью и двумя $\pi$-связями, что образует тройную связь ($C \equiv C$). Каждый атом углерода также связан с одним атомом водорода одинарной связью. Структурная формула: $H-C \equiv C-H$.

• $N_2$ (азот). Атом азота имеет 5 валентных электронов. В молекуле азота $N_2$ два атома соединены тройной связью ($N \equiv N$), чтобы каждый атом получил стабильную восьмиэлектронную оболочку.

Вещества, содержащие только одинарные связи, из данного списка: $C_2H_6$ (этан, $H_3C-CH_3$), $NH_3$ (аммиак), $H_2S$ (сероводород), $CH_4$ (метан).

Ответ: $C_2H_2, N_2$.

7-19. Из данного перечня выберите вещество с преимущественно ионным характером связи: $H_2O$, $K_2O$, $HF$, $F_2O$, $KF$, $NaOH$, $H_2SO_4$, $Na_2SO_4$.

Для определения веществ с преимущественно ионным характером связи необходимо проанализировать, из атомов каких элементов они состоят. Ионная связь, как правило, образуется между атомами типичных металлов (например, щелочных или щелочноземельных) и атомами типичных неметаллов (например, галогенов или кислорода). Ключевым критерием является большая разница в электроотрицательности (ЭО) между связываемыми атомами, что приводит к образованию противоположно заряженных ионов (катионов и анионов), которые притягиваются друг к другу. Вещества с ионным характером связи включают в себя соли, основания, оксиды активных металлов.

Решение

Проанализируем каждое вещество из предложенного перечня:

1. $H_2O$ (вода) — вещество образовано двумя неметаллами (водород и кислород). Связи H-O являются ковалентными полярными.

2. $K_2O$ (оксид калия) — вещество образовано атомами типичного щелочного металла калия (K) и неметалла кислорода (O). Разница в их ЭО велика, поэтому связь является ионной, между катионами $K^+$ и анионом $O^{2-}$.

3. $HF$ (фтороводород) — вещество образовано двумя неметаллами (водород и фтор). Связь H-F является ковалентной сильнополярной.

4. $F_2O$ (фторид кислорода(II)) — вещество образовано двумя неметаллами (фтор и кислород). Связь F-O является ковалентной полярной.

5. $KF$ (фторид калия) — вещество образовано атомами типичного щелочного металла калия (K) и самого электроотрицательного неметалла фтора (F). Связь является ионной, между катионом $K^+$ и анионом $F^-$.

6. $NaOH$ (гидроксид натрия) — это основание. В этом соединении существует ионная связь между катионом металла натрия ($Na^+$) и сложным гидроксид-анионом ($OH^-$). Хотя связь O-H внутри гидроксид-иона ковалентная полярная, вещество в целом имеет ионный характер.

7. $H_2SO_4$ (серная кислота) — вещество образовано только атомами неметаллов (H, S, O). Все связи в молекуле (H-O и S-O) являются ковалентными полярными.

8. $Na_2SO_4$ (сульфат натрия) — это соль. В этом соединении существует ионная связь между катионами металла натрия ($Na^+$) и сложным сульфат-анионом ($SO_4^{2-}$). Хотя связи S-O внутри сульфат-иона ковалентные полярные, вещество в целом имеет ионный характер.

Таким образом, соединениями с преимущественно ионным характером связи являются те, в которых присутствует связь между катионом металла и анионом неметалла или кислотного остатка/гидроксид-группы.

Ответ: $K_2O$, $KF$, $NaOH$, $Na_2SO_4$.

7-20. Приведите примеры соединений с преимущественно ионным характером связи.

Решение

Ионная связь — это химическая связь, возникающая в результате электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами: катионами (положительно заряженными ионами) и анионами (отрицательно заряженными ионами).

Такой тип связи образуется между атомами элементов, которые значительно отличаются по своей электроотрицательности ($\Delta$ЭО > 1.7 по шкале Полинга). Как правило, это происходит при взаимодействии типичного металла (элементы I и II групп главной подгруппы) и типичного неметалла (элементы VI и VII групп главной подгруппы).

В процессе образования связи атом металла отдает свои валентные электроны, превращаясь в катион, а атом неметалла принимает эти электроны, становясь анионом. Возникшие ионы удерживаются вместе силами электростатического притяжения, образуя ионное соединение. В твердом состоянии такие вещества формируют ионные кристаллические решетки.

Примеры соединений с преимущественно ионным характером связи можно разделить на несколько групп:

• Соли, образованные типичным металлом и неметаллом (галогениды, сульфиды и т.д.):
  • Хлорид натрия ($NaCl$) — поваренная соль.
  • Фторид цезия ($CsF$) — соединение с очень высокой степенью ионности.
  • Хлорид кальция ($CaCl_2$).
  • Сульфид калия ($K_2S$).
• Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов:
  • Оксид кальция ($CaO$) — негашеная известь.
  • Оксид магния ($MgO$).
  • Оксид лития ($Li_2O$).
• Основания (гидроксиды) щелочных и щелочноземельных металлов: ионная связь существует между катионом металла и гидроксид-анионом ($OH^-$).
  • Гидроксид натрия ($NaOH$) — едкий натр.
  • Гидроксид калия ($KOH$).
  • Гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$) — гашеная известь.
• Соли, содержащие многоатомные (сложные) анионы: ионная связь образуется между катионом металла и анионом кислотного остатка.
  • Карбонат кальция ($CaCO_3$) — мел, мрамор.
  • Сульфат меди(II) ($CuSO_4$) — медный купорос.
  • Нитрат калия ($KNO_3$) — калийная селитра.

Ответ:

Примеры соединений с преимущественно ионным характером связи: хлорид натрия ($NaCl$), фторид цезия ($CsF$), оксид кальция ($CaO$), гидроксид натрия ($NaOH$), сульфат калия ($K_2SO_4$), карбонат кальция ($CaCO_3$).

7-21. Даны два бинарных соединения. Температура плавления первого $114°C$, второго $1728°C$. В каком случае речь идет о веществе с молекулярной кристаллической решеткой, а в каком — с атомной? Ответ обоснуйте.

Решение

Тип кристаллической решетки вещества напрямую влияет на его физические свойства, в частности, на температуру плавления. Различие в температурах плавления обусловлено прочностью связей между частицами, находящимися в узлах решетки.

Соединение с температурой плавления $114 \,^{\circ}\text{C}$ имеет молекулярную кристаллическую решетку. В узлах такой решетки находятся молекулы, которые связаны между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Для плавления необходимо преодолеть только эти слабые связи, что требует небольшого количества энергии и соответствует относительно низкой температуре плавления.

Соединение с температурой плавления $1728 \,^{\circ}\text{C}$ имеет атомную кристаллическую решетку. В узлах такой решетки находятся атомы, соединенные прочными ковалентными связями, образующими единый каркас. Плавление такого вещества требует разрыва этих прочных связей по всему объему кристалла. На это затрачивается огромное количество энергии, что и является причиной очень высокой температуры плавления.

Ответ: вещество с температурой плавления $114 \,^{\circ}\text{C}$ имеет молекулярную кристаллическую решетку, а вещество с температурой плавления $1728 \,^{\circ}\text{C}$ — атомную.