Задание 3 контрольной работы

Для химического элемента: определить в какой группе и каком периоде Периодической таблицы находится, к какому семейству относится, записать электронную формулу для нормального и возбужденного состояния атома, перечислить валентные электроны и возможные степени окисления, привести примеры соединений элемента в этих степенях окисления.

Тема 4 Химическая связь

Химическая связь – это взаимное сцепление атомов в молекуле в результате перекрывания их электронных облаков. Образованию химической связи может предшествовать гибридизация АО: преобразование различающиеся по форме и энергии АО разных подуровней в такое же количество гибридных молекулярных орбиталей. Гибридные орбитали имеют одинаковую энергию и форму, что обеспечивает равноценность образующихся связей. Гибридные орбитали более вытянуты в направлении образования химической связи и обеспечивают лучшее перекрывание с орбиталями присоединяющегося атома, чем негибридизованные. В гибридизации могут участвовать и d-орбитали внешнего или предвнешнего квантового уровня. Тип гибридизации АО центрального атома определяет геометрическую форму образующихся молекул или ионов.

Таблица 4

Форма молекул и тип гибридизации центрального атома

Рассмотрим образование молекул с разным типом гибридизации центрального атома.

При образовании молекулы ВеF₂ атом бериллия переходит в возбужденное состояние и имеет два неспаренных электрона один на 2s- и один на 2р-орбитали. Гибридизация этих АО приводит к образованию двух sp-гибридных молекулярных орбиталей, расположеных в молекуле под углом 180°, поскольку в таком случае электроны на этих орбиталях испытывают наименьшее взаимное отталкивание. В результате молекула ВF₂ имеет линейное строение. Молекула неполярна. В молекуле две равноценные σ-связи Be–F, π-связей нет. Связи полярны, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому F. На рисунке для атомов F показаны только 2р-электроны, образующие связи.

Рисунок 2 Молекула BeF: а) sp-гибридизация АО бериллия и образование двух σ-связей; б) пространственное строение молекулы

При образовании молекулы ВF₃ три неспаренных электрона атома бора в возбужденном состоянии расположены на АО 2s, 2р_х, 2р_z. В результате гибридизации образуются три гибридные sp²-орбитали. Для достижения минимального отталкивания гибридные орбитали направлены в углы правильного треугольника, углы между орбиталями равны 120°. В результате молекула ВF₃ имеет форму плоского треугольника, ядро атома бора располагается в центре. Молекула ВF₃ неполярна. В молекуле три σ-связи, все связи равноценны, π-связей нет. Связи полярны, электронная плотность смещена в строну атома F.

Рисунок 3 Молекула ВF₃: а) гибридизация АО бора и образование трех σ-связей; б) ориентация в пространстве исходных атомных 2s-, 2р_x- и 2р_z-орбиталей; в) ориентация в пространстве гибридных sp²-орбиталей

При образовании связей атомами C, N, О и Cl в гибридизации участвуют одна s-орбиталь и три p-орбитали, во всех случаях образуются четыре sp³-гибридные орбитали, направленные в пространстве от ядра к углам тетраэдра. Углы между орбиталями во всех случаях близки к 109°, однако форма молекул, образуемых этими атомами различны.

В молекуле метана СН₄ четыре σ-связи, π-связей нет, связи полярны,электронная плотность смещена к атому С. Форма молекулы тетраэдрическая, молекула неполярна, угол между орбиталями равен 109,46°.

Рисунок 4 Молекула СН₄: а) гибридизация АО углерода и образование четырех σ-связей; б) ориентация в пространстве гибридных sp³-орбиталей

Рисунок 5 Молекула NH₃: а) гибридизация АО азота, образование гибридных sp³-орбиталей и трех σ-связей; б) пространственное строение молекулы NH₃ и иона NH₄⁺

В молекуле воды Н₂О на двух sp³-гибридных орбиталях кислорода располагается неподеленные пары электронов. В молекуле две σ-связи, π-связей нет. Вследствие отталкивания неподеленных электронных пар, угол между связями О–Н отклоняется от тетраэдрического и составляет 104,5°.

Рисунок 6 Молекула H₂О: а) гибридизация АО кислорода, образование гибридных sp³-орбиталей и двух σ-связей; б) пространственное строение молекулы H₂О.

При образовании комплексного иона [АlF₆]₃^3– в гибридизации участвуют вакантные 3d-орбитали алюминия и образуется шесть гибридных sp³d²-орбиталей, направленных к углам октаэдра. Форма иона октаэдрическая, число σ-связей шесть, угол между связями 90°, π-связей нет.

Рисунок 7 Образование иона [АlF₆]₃^3– и ориентация sp³d²-гибридных орбиталей

Комплекс [Fе(СN)₆]^4– тоже имеет октаэдрическую форму, хотя гибридизация d²sp³-типа. Гибридизация с участием d-орбиталей приводит также к квадратной и тетраэдрической формам молекул и ионов.