Страница 210 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Объясните, почему численные значения электроотрицательности атомов элементов позволяют судить о виде химической связи, возникающей между ними. Приведите примеры.

Электроотрицательность ($χ$) — это фундаментальная химическая характеристика атома, которая определяет его способность притягивать к себе электроны от других атомов в химическом соединении. Численные значения электроотрицательности позволяют судить о виде химической связи, потому что тип связи напрямую зависит от разности электроотрицательностей ($Δχ$) между связываемыми атомами. Эта разность показывает, насколько неравномерно распределена электронная плотность в образующейся связи.

В зависимости от величины $Δχ$ (по шкале Полинга) можно выделить три основных типа связи:

Ковалентная неполярная связь

Этот тип связи возникает, когда разность электроотрицательностей атомов равна нулю или очень мала (условно $Δχ < 0.4$). Такая ситуация характерна для молекул, состоящих из атомов одного и того же элемента, или элементов с очень близкими значениями $χ$. Общая электронная пара располагается симметрично между ядрами атомов, и на атомах не возникает зарядов.
Пример: молекула хлора $Cl_2$. Атомы хлора имеют одинаковую электроотрицательность ($χ(Cl) \approx 3.16$), поэтому $Δχ = 3.16 - 3.16 = 0$. Связь является ковалентной неполярной. Другие примеры: $H_2$, $O_2$, $N_2$.

Ковалентная полярная связь

Образуется между атомами с заметной, но не предельно большой разностью электроотрицательностей (условно $0.4 \le Δχ \le 1.7$). В этом случае общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома. На этом атоме возникает частичный отрицательный заряд ($δ^−$), а на менее электроотрицательном — частичный положительный ($δ^+$).
Пример: молекула воды $H_2O$. Электроотрицательность кислорода ($χ(O) \approx 3.44$) больше, чем у водорода ($χ(H) \approx 2.20$). Разность $Δχ = 3.44 - 2.20 = 1.24$. Электронная плотность каждой связи O-H смещена к атому кислорода, поэтому на нем концентрируется частичный отрицательный заряд ($δ^−$), а на атомах водорода — частичные положительные ($δ^+$).

Ионная связь

Возникает при очень большой разности электроотрицательностей атомов (условно $Δχ > 1.7$), как правило, между атомами типичного металла (низкая $χ$) и типичного неметалла (высокая $χ$). При такой разнице валентный электрон практически полностью переходит от атома металла к атому неметалла. В результате образуются противоположно заряженные ионы (катион и анион), которые притягиваются друг к другу электростатическими силами.
Пример: хлорид натрия $NaCl$. Разность электроотрицательностей очень велика: $χ(Na) \approx 0.93$, $χ(Cl) \approx 3.16$. $Δχ = 3.16 - 0.93 = 2.23$. Атом натрия отдает свой валентный электрон атому хлора, образуя ионы $Na^+$ и $Cl^-$. Связь между ними является ионной.

Ответ: Численные значения электроотрицательности позволяют судить о виде химической связи, так как разность электроотрицательностей ($Δχ$) двух связывающихся атомов является количественной мерой полярности связи. Если $Δχ$ близка к нулю (например, в $Cl_2$), связь ковалентная неполярная. Если $Δχ$ имеет среднее значение (например, в $H_2O$), связь ковалентная полярная. Если $Δχ$ велика (например, в $NaCl$), происходит практически полный перенос электрона от одного атома к другому, и связь является ионной.

2. В тетрадях напишите по три формулы соединений:

а) с ионной,

б) с ковалентной полярной;

в) с ковалентной неполярной связью.

Изобразите их электронные формулы.

а) с ионной связью

Ионная связь образуется между атомами металла и неметалла за счет электростатического притяжения между образовавшимися ионами (катионами и анионами). Разница в электроотрицательности атомов, как правило, превышает 1.7.

1. Хлорид натрия (NaCl): атом натрия (металл) отдает один электрон, превращаясь в катион $Na^+$, а атом хлора (неметалл) принимает этот электрон, становясь анионом $Cl^-$.
Электронная формула: $Na^{+}[:\ddot{Cl}:]^{-}$

2. Оксид магния (MgO): атом магния (металл) отдает два электрона, образуя катион $Mg^{2+}$, а атом кислорода (неметалл) принимает их, образуя анион $O^{2-}$.
Электронная формула: $Mg^{2+}[:\ddot{O}:]^{2-}$

3. Фторид кальция (CaF₂): атом кальция (металл) отдает два электрона, а два атома фтора (неметалл) принимают по одному электрону каждый.
Электронная формула: $[:\ddot{F}:]^{-}Ca^{2+}[:\ddot{F}:]^{-}$

Ответ: Примеры соединений с ионной связью: NaCl, MgO, CaF₂.

б) с ковалентной полярной связью

Ковалентная полярная связь возникает между атомами разных неметаллов. Из-за разной электроотрицательности общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому.

1. Вода (H₂O): общие электронные пары смещены от атомов водорода к более электроотрицательному атому кислорода.
Электронная формула: $H:\ddot{O}:H$

2. Хлороводород (HCl): общая электронная пара смещена к атому хлора, который более электроотрицателен, чем водород.
Электронная формула: $H:\ddot{Cl}:$

3. Аммиак (NH₃): три общие электронные пары смещены от атомов водорода к более электроотрицательному атому азота. Атом азота также имеет одну неподеленную электронную пару.
Электронная формула: $H:\underset{\Large H}{\ddot{N}}:H$

Ответ: Примеры соединений с ковалентной полярной связью: H₂O, HCl, NH₃.

в) с ковалентной неполярной связью

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами одного и того же неметалла. В этом случае электроотрицательность атомов одинакова, и общие электронные пары не смещаются ни к одному из атомов.

1. Водород (H₂): молекула образована двумя атомами водорода, связанными одной общей электронной парой.
Электронная формула: $H:H$

2. Кислород (O₂): молекула образована двумя атомами кислорода, связанными двойной связью (двумя общими электронными парами).
Электронная формула: $:\ddot{O}::\ddot{O}:$

3. Азот (N₂): молекула образована двумя атомами азота, связанными тройной связью (тремя общими электронными парами).
Электронная формула: $:N:::N:$

Ответ: Примеры соединений с ковалентной неполярной связью: H₂, O₂, N₂.

3. Изобразите структурные формулы молекул воды и хлороводорода.

Структурная формула молекулы воды ($H_2O$)

Молекула воды состоит из одного атома кислорода (O) и двух атомов водорода (H). Атом кислорода является центральным и образует по одной одинарной ковалентной полярной связи с каждым из двух атомов водорода. Наличие двух неподеленных электронных пар у атома кислорода заставляет связи H-O изгибаться, поэтому молекула воды имеет угловое (V-образное) строение. Структурная формула наглядно показывает порядок соединения атомов в молекуле.

Ответ: $H-O-H$

Структурная формула молекулы хлороводорода ($HCl$)

Молекула хлороводорода состоит из одного атома водорода (H) и одного атома хлора (Cl). Эти два атома соединены между собой одной одинарной ковалентной полярной связью. Поскольку молекула состоит всего из двух атомов, она имеет линейное строение.

Ответ: $H-Cl$

4. Учитывая значения электроотрицательностей элементов (см. табл. 19), составьте химические формулы и укажите сдвиг общих электронных пар в соединениях:

а) лития с азотом;

б) кислорода с фтором;

в) углерода с серой;

г) углерода с алюминием.

Для решения задачи необходимо сравнить значения электроотрицательности (ЭО) элементов в каждом соединении. Электроотрицательность — это способность атома притягивать к себе электроны от других атомов в химической связи. Общая электронная пара смещается к атому с большей электроотрицательностью, на котором возникает частичный отрицательный заряд ($δ^−$), в то время как на атоме с меньшей ЭО возникает частичный положительный заряд ($δ^+$). Связь между такими атомами является полярной ковалентной. Если разница ЭО очень велика, связь считают ионной.

Значения электроотрицательности по шкале Полинга для данных элементов:

• Литий (Li): 0.98
• Азот (N): 3.04
• Кислород (O): 3.44
• Фтор (F): 3.98
• Углерод (C): 2.55
• Сера (S): 2.58
• Алюминий (Al): 1.61

а) лития с азотом
Литий (Li) — элемент I группы, в соединениях его степень окисления +1. Азот (N) — элемент V группы, в соединениях с металлами его степень окисления −3. Для составления формулы находим наименьшее общее кратное для зарядов ионов: для 1 и 3 это 3. Таким образом, на один атом азота приходится три атома лития. Химическая формула — $Li_3N$ (нитрид лития).
Сравним электроотрицательности: ЭО(Li) = 0.98, ЭО(N) = 3.04. Разница ЭО ($ΔЭО$) составляет $3.04 - 0.98 = 2.06$. Так как разница велика, связь в соединении носит преимущественно ионный характер. Электронная плотность сильно смещена от атомов лития ($Li^+$) к атому азота ($N^{3-}$).
Ответ: Химическая формула — $Li_3N$. Общие электронные пары смещены к атому азота.

б) кислорода с фтором
Фтор (F) — самый электроотрицательный элемент, его степень окисления в соединениях всегда равна −1. Кислород (O) менее электроотрицателен, чем фтор, поэтому он будет проявлять положительную степень окисления, равную его валентности, то есть +2. Химическая формула — $OF_2$ (фторид кислорода).
Сравним электроотрицательности: ЭО(O) = 3.44, ЭО(F) = 3.98. Разница ЭО ($ΔЭО$) составляет $3.98 - 3.44 = 0.54$. Связь является полярной ковалентной. Электронные пары в связях O–F смещены от атома кислорода к более электроотрицательным атомам фтора. На атоме кислорода возникает частичный положительный заряд ($O^{δ+}$), а на атомах фтора — частичные отрицательные заряды ($F^{δ-}$).
Ответ: Химическая формула — $OF_2$. Общие электронные пары смещены от атома кислорода к атомам фтора.

в) углерода с серой
Углерод (C) и сера (S) — неметаллы. В их наиболее распространенном соединении, сероуглероде, углерод проявляет степень окисления +4, а сера −2. Химическая формула — $CS_2$.
Сравним электроотрицательности: ЭО(C) = 2.55, ЭО(S) = 2.58. Значения ЭО очень близки, разница ($ΔЭО$) составляет всего $2.58 - 2.55 = 0.03$. Связь C–S является ковалентной, практически неполярной. Тем не менее, поскольку сера формально немного более электроотрицательна, происходит очень слабое смещение электронной плотности от атома углерода к атомам серы.
Ответ: Химическая формула — $CS_2$. Смещение общих электронных пар крайне незначительно, формально — в сторону атомов серы.

г) углерода с алюминием
Алюминий (Al) — металл III группы, его степень окисления в соединениях +3. Углерод (C), как более электроотрицательный элемент, проявляет в соединении с металлом степень окисления −4. Наименьшее общее кратное для зарядов 3 и 4 равно 12. Таким образом, формула соединения — $Al_4C_3$ (карбид алюминия).
Сравним электроотрицательности: ЭО(Al) = 1.61, ЭО(C) = 2.55. Разница ЭО ($ΔЭО$) составляет $2.55 - 1.61 = 0.94$. Связь является полярной ковалентной. Электронная плотность в связях Al–C смещена от атомов алюминия ($Al^{δ+}$) к более электроотрицательным атомам углерода ($C^{δ-}$).
Ответ: Химическая формула — $Al_4C_3$. Общие электронные пары смещены от атомов алюминия к атомам углерода.