Задачи к разделу Химическая связь и строение молекул

Решение:NaHSO₄—

Связь O – Na – ионная

Связь O – S – ковалентная полярная

Связь O – H– ковалентная полярная

Решение. Нитрит аммония — ионная связь

NH₄NO₂= NH₄⁺+NO₂^—

N – H – ковалентно-полярная связь

Между NH₄⁺ и NO₂^— — ионная связь

Водородные связи . Такой вид связи возникает с соединениях атома водорода с атомами, имеющими большую электроотрицательность (N, O, F). Образуемые соединения имеют большую полярность, возникает диполь, в котором атом водорода находится на положительном конце. Этот диполь может взаимодействовать с неподеленной электронной парой кислорода (и азота, и фтора), который принадлежит другой или этой же молекуле. Именно такое взаимодействие принято называть водородной сязью.

Водородная связь может быть:

• межмолекулярная, например, в молекуле воды (H₂O), аммиака (NH₃), фтористоводородной (плавиковой) кислоты (HF)

• внутримолекулярная, например, белки, 2-гидроксибензальдегид:

Согласно изменению молекулярных масс в рядах:

H₂O – H₂S – H₂Se – H₂Te

HF – HCl – HBr – HJ

NH₃ – AsH₃ – SbH₃

температура кипения должна постепенно увеличиваться, однако наблюдаются аномально высокие температуры кипения для воды (H₂O), аммиака (NH₃), фтористоводородной (плавиковой) кислоты (HF), которые объясняются наличием водородных связей.

Наиболее прочная связь должна быть у фтористоводородной (плавиковой) кислоты (HF) (F наиболее электроотрицательный элемент), однако вода кипит при более высокой температуре, так как у воды две водородные связи.

Решение. CH₃Br — ковалентная связь. Ковалентная связь возникает между атомами с близкими или равными значениями электроотрицательностей. Эта связь может рассматриваться как электростатическое притяжение ядер двух атомов к общей электронной паре.

В отличие от ионных соединений, молекулы ковалентных соединений удерживаются вместе за счет «межмолекулярных сил», которые намного слабее химических связей. В связи с этим, ковалентной связи характерна насыщаемость – образование ограниченного числа связей.

Известно, что атомные орбитали ориентированы в пространстве определенным образом, поэтому при образовании связи, перекрывание электронных облаков происходит в определенном направлении. Т.е. реализуется такое свойство ковалентной связи как направленность.

СаО – ионная связь.  Отдельные атомы какого-либо элемента будут стремиться к устойчивой восьмиэлектронной структуре, теряя или приобретая электроны. Атомы, захватившие электроны, имеют отрицательный заряд и называются анионами, атомы, потерявшие электрон, имеют положительный заряд и называются катионами. При встрече анионов с катионами образуется химическая связь, которая называется ионной связью, а соединение — ионным. Ионные соединения образуются, когда связываются атомы с большой разностью электроотрицательностей (более, чем 2,1). Логично предположить, что при соединении металлов с неметаллами, будет возникать ионное соединение с ионной связью, т.к. их электроотрицательности очень различаются.

Ионные соединения часто имеют сходные свойства. Они стремятся образовывать группы, которые, в свою очередь, образуют еще более крупные группировки, типа Li_nCl_m. Такие образования называются кристаллами. Это происходит из-за того, что для данного типа связи не характерна направленность и насыщаемость.

J₂ – Ковалентная неполярная связь. Если ковалентная связь в молекуле образована одинаковыми атомами или атомами с равной электроотрицательностью , то такая связь не имеет полярности , т.е электронная плотность распределяется симметрично. Называется она неполярной ковалентной связью. Связи могут быть как одинарными, так и двойными, тройными.

NH₄Cl — донорно-акцепторная связь. Является частным случаем ковалентной связи, когда один атом выступает в роли донора электронной пары, а другой атом — его акцептором (предоставляет свободную орбиталь).  Данную связь часто называют координационной, т.к. она часто возникает при образовании комплексных соединений. При образовании донорно-акцепторной связи электронная оболочка атома-акцептора пополняется парой электронов. В роли доноров и акцепторов кроме атомов и молекул, могут выступать катионы и анионы. При возникновении связи на атоме — доноре возникает  эффективный положительный заряд, а на атоме – акцепторе – эффективный отрицательный заряд.

Между NH₄⁺  и Cl^— — ионная связь. Между азотом и водородом ковалентная полярная и одна донорно-акцепторная связи.

Решение: Взаимное перекрывание облаков может происходить разными способами, ввиду их различной формы. Различают σ-, π- и δ-связи.

Сигма – связи образуются при перекрывании облаков вдоль линии, проходящей через ядра атомов.

Пи – связи возникают при перекрывании облаков по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов.

Дельта – связи осуществляются при перекрывании всех четырех лопастей d – электронных облаков, расположенных в параллельных плоскостях.

Сигма – связь более прочная, чем Пи – связь.

C₂H₆ – sp³-гибридизация.

С-С  — σ-связь (перекрывание 2sp³-2sp³)

С–Н — σ-связь (перекрывание 2sp³-АО углерода и 1s-АО водорода)

C₂H₄ – sp²-гибридизация.

Двойная связь реализуется наличием 2-х видов связи — σ- и π-связей (хотя она изображается двумя одинаковыми черточками, всегда следует учитывать их неравноценность). σ-Связь образуется при центральном перекрывании sp²-гибридизованных орбиталей, а π-связь – при боковом перекрывании лепестков  р-орбиталей соседних sp²-гибридизованных атомов углерода. Образование связей в молекуле этилена можно изобразить следующей схемой:

С=С  —  σ-связь (перекрывание 2sp²-2sp²) и π-связь (2рz-2рz)

С–Н  —  σ-связь (перекрывание 2sp²-АО углерода и 1s-АО водорода)

C₂H₂ — sp-гибридизация

Тройная связь реализуется сочетанием σ- и двух π-связей, образуемых двумя sp-гибридизованными атомами.

σ-Связь возникает при центральном перекрывании sp-гибридизованных орбиталей соседних атомов углерода; π-связи образуются при боковом перекрывании лепестков рy-орбиталей и рz-орбиталей. Образование связей в молекуле ацетилена  H–C≡C–H можно изобразить в виде схемы:

C≡C  — σ-связь (перекрывание 2sp-2sp);

π-связь (2рy-2рy);

π-связь (2рz-2рz);

С–Н  — σ-связь (перекрывание 2sp-АО углерода и 1s-АО водорода).

Решение: Между молекулами может возникать электростатическое взаимодействие. Наиболее универсально – дисперсионное, т.к. оно обусловлено взаимодействием молекул друг с другом за счет их моментальных микродиполей. Их одновременное появление и исчезновение в различных  молекулах способствует их притяжению. При отсутствии синхронности молекулы отталкиваются.

Ориентационное взаимодействие появляется между полярными молекулами. Чем больше полярность молекулы, тем сила их притяжения друг к другу сильнее, и тем самым, ориентационное взаимодействие больше.

Индукционное взаимодействие молекул возникает за счет их индуцированных диполей. При встрече двух молекул – полярной и неполярной, происходит деформация неполярной молекулы, что способствует возникновению в ней диполя. Индуцированный диполь способен к притяжению к постоянному диполю полярной молекулы. Индукционное взаимодействие тем больше, чем значительнее электрический момент и поляризуемость молекулы.

Относительный вклад каждого вида взаимодействия зависит от полярности и поляризуемости молекул. Так, чем выше полярность молекулы, тем важнее роль ориентационных сил; чем больше поляризуемость, тем большее влияние дисперсионных сил. Индукционные силы зависят от обоих факторов, но сами обычно играют второстепенную роль.

Из данных веществ ориентационное и индукционное взаимодействие имеет место в полярных молекулах — H₂O и NH₃. Дисперсионное взаимодействие  — в неполярных и малополярных молекулах — HBr, Ar, N₂

Решение:

а) Рассмотрим, например К₂ и Li₂. В образовании связи участвуют s – орбитали:

Порядок связи:

n = (2-0)/2=1

б) Рассмотрим, например К₂⁺ и Li₂⁺. В образовании связи участвуют s – орбитали:

Порядок связи:

n = (1-0)/2=0,5

Ковалентность каждого атома равна 1.

Энергия связи зависит от числа валентных электронов: чем меньше электронов, тем меньше энергия связи. В К₂ и Li₂ и К₂⁺ и Li₂⁺ энергия связи лежит в пределах 200-1000 кДж/моль.

В молекуле Н₂ реализуется связь типа электрон + электрон, а в молекулярном ионе Н₂⁺ — электрон + вакантная орбиталь.

Решение.

Диаграмма молекулы NO имеет вид:

NO[KK(σ_s)²(σ^*_s)²(σ_x)²(π_y)²(π_z)²(π^*_y)¹]

NO⁺[KK(σ_s)²(σ^*_s)²(σ_x)²(π_y)²(π_z)²]

n(NO) = (8-3)/2=2,5

n(NO⁺) = (8-2)/2=3

Т.к. у NO, по сравнению с NO⁺, есть электрон на (π^*_y), то прочность связи молекулы NO меньше, чем у NO⁺.

Молекула NO имеет 1 непарный электрон, поэтому она парамагнитна (ориентируется вдоль силовых линий в магнитном поле).

У молекулы NO⁺ все электроны парные, поэтому она диамагнитна (ориентируется перпендикулярно силовым линиям в магнитном поле).