Какие квантовые числа характеризуют их валентные электроны.

РЕШЕНИЕ. Порядковый номер элемента соответствует заряду его атома и, следовательно, количеству электронов в атоме. Зная порядок заполнения атомных орбиталей и максимальную емкость каждого квантового подуровня, можем записать электронную формулу атома.

Элемент №32 :

Электронная формула1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p²

Внешним у этого элемента является четвертый квантовый уровень (n=4), поэтому он расположен в 4-м периоде. Количество электронов на внешнем квантовом

уровне равно 4, значит, он находится в 4-й группе, и так как это р-элемент (ℓ=1) – в главной подгруппе. Магнитное квантовое число для электронов, завершающих электронную формулу, может принимать любое из значений: -1, 0, 1. Распределение валентных электронов по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии следующее:

4s 4p 4s 4p

Cуммарный спин в основном cостоянии ∑S=1.

Высшая положительная степень окисления этого элемента равна +4, а высшая отрицательная степень окисления -4. Его высшее соединение с кислородом имеет формулу ЭО₂ (GeO₂) и обладает амфотерными свойствами. С водородом элемент дает газообразное соединение состава GeH₄.

Элемент № 43 имеет электронную формулу:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s²

Внешним у него является пятый квантовый уровень (n=5), поэтому он расположен в 5 – м периоде, в 7 – й группе, так как сумма электронов на внешнем 5s подуровне и незавершенном 4d подуровне равна 7, и так как это d элемент в побочной подгруппе (ℓ=2) . Магнитное квантовое число для электронов, завершающих электронную формулу, может принимать значения: -2, -1, 0, 1, 2.

Распределение валентных электронов по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии следующее:

4d 5s

Cуммарный спин в основном состоянии ∑S=2,5.

4d 5s 5p

Максимальная положительная степень окисления этого элемента +7. Его высшее соединение с кислородом имеет формулу Э₂O₇ (Тс₂О₇).

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ

Задача 1.

Расположите следующие молекулы в порядке усиления полярности связи: CsF, CaCl₂, NaI, ClF, CO, HF, HCl, BeF₂, MgF₂. В какой из молекул наиболее ярко выражен ионный характер связи?

РЕШЕНИЕ. О степени полярности ковалентной связи А – В можно судить по разности электроотрицательностей элементов:

D ЭО = ЭО (В) – ЭО (А)

где ЭО (А) и ЭО(В) – соответствующие величины относительных электроотрицательностей алементов А и В (шкала электроотрицательностей по Полингу).

Молекула CsF CaCl₂ NaI ClF CO HF HCl BeF₂ MgF₂.

D Э.О 3,3 2,0 1,7 1,0 1,0 1,9 0,9 2,5 1,8

С увеличением разности электроотрицательностей элементов растет степень ионности. Путем сопоставления значений D ЭО располагаем молекулы в порядке усиления полярности связи (ионности) в следующий ряд:

HCl < ClF = CO < NaI < MgF₂ < HF < CaCl₂ < BeF₂ < CsF

Наиболее ярко инный характер связи выражен в молекуле CsF, имеющей наибольшее значение D ЭО

Задача 2.

Оцените валентные возможности элементов второго периода. Какие из этих элементов могут участвовать в образовании связей по донорно-акцепторному механизму в качестве донора и какие – в качестве акцептора?

РЕШЕНИЕ. В образовании химической связи у элементов второго периода могут участвовать 4 валентные орбитали ( одна s- и три р-орбитали), поэтому максимальная ковалентность этих элементов может достигать четырех.

Атом ₃Li1s²2s¹

2p

2s

может образовать одну связь по обменному механизму за счет неспаренного электрона и три связи по донорно-акцепторному механизму (три свободные орбитали), выступая в качестве акцептора.

Возбужденный атом бериллия ₄Ве^* 1s²2s¹2p¹

2s 2p

может образовать две связи по обменному механизму (два неспаренных электрона) и две связи по донорно-акцепторному, выступая в качестве акцептора (две свободные орбитали), например образование иона [BeF₄]^2- :

BeF₂ + 2F^- = [BeF₄]^2-

Возбужденный атом бора ₅В^*1s²2s¹2p² может образовать три связи по обменному механизму три неспаренных электрона) и одну связь по донорно-акцепторному механизму в качестве акцептора (одна свободная орбиталь). Например, в ионе [BF₄]^-.

BF₃ + F^- = [BF₄]^-

Невозбужденный атом углерода ₆С1s²2s²2p²

2s 2p

(например в молекуле СО) может образовать две связи по обменному механизму и одну связь по донорно-акцепторному, предоставляя свободную 2р орбиталь, на которой располагается неподеленная электронная пара кислорода.

Возбужденный атом углерода ₆С^* 1s²2s¹2p³

2s 2p

проявляет ковалентность, равную 4, и донорно-акцепторных связей не образует.

Атом азота ₇N 1s²2s²2p³

2s 2p

является потенциальным донором электронов за счет неподеленной электронной пары, расположенной на s – орбитали. В ионе NH₄⁺ ковалентность азота равна 4 (три связи образованы по обменному и одна связь по донорно-акцепторному механизму:

:NH₃ + H⁺ = NH₄⁺

Атом кислорода ₈О 1s²2s²2p⁴

2s 2p

способен образовать две связи по обменному механизму и предоставить двухэлектронную орбиталь, выступив в качестве донора. Например, в ионе Н₃О⁺.

В связи с увеличением заряда ядра и уменьшением радиуса атомов (при движении по периоду слева направо) донорные свойства ослабевают (электронные пары сильнее удерживаются атомом). Атом кислорода может предоставить из двух неподеленных пар только одну, атом фтора и тем более атом неона практически не образуют связей по донорно-акцепторному механизму.

Ион ₉F^- 1s²2s²2p⁶

2s 2p

при образовании комплексных анионов выступает в качестве донора.

Валентные возможности элементов третьего и последующих периодов повышаются за счет наличия d-валентных орбиталей, которые могут участвовать в образовании связей по донорно-акцепторному механизму.

Как правило, максимальная ковалентность элементов третьего периода равна шести. Валентные d-орбитали либо участвуют в гибридизации с s- и р-орбиталями, давая добавочные s-связи, либо порождают p -связи. Увеличение числа s-связей соответствует повышению координационного числа центрального атома.

Задача 4.

На основании теории гибридизации определить тип гибридизации валентных орбиталей центрального атома и пространственную конфигурацию следующих молекул и ионов: BeCl₂, BF₃, CO₂. Полярными или неполярными являются молекулы?

РЕШЕНИЕ.

Молекула BeCl₂. Электронные формулы и распределение валентных электронов по атомным орбиталям для атомов бериллия и хлора можно представить следующим образом:

₄Ве…..2s² ₁₇Cl… 3s²3p⁵

Для образования двух s-связей (по числу атомов хлора) атом бериллия переходит в возбужденное состояние:

₄Ве^* - 2s¹2p¹

Все валентные электроны бериллия используются для образования s-связей, орбиталей с несвязывающими электронами нет: Cl Be Cl

Комбинация одной s – и одной р-орбиталей приводит к образованию двух гибридных орбиталей, расположенных под углом 180⁰. Атом бериллия находится в состоянии sp-гибридизации, а молекула BeCl₂ имеет линейную структуру. Дипольные моменты связей направлены в противоположные стороны, равны по величине и, следовательно, компенсируют друг друга. Суммарный дипольный момент равен нулю, и молекула, в целом, неполярна.

Схема перекрывания электронных облаков:

Молекула BF₃ . Электронная формула атома бора ₅B - 2s²2p¹. При образовании трех s-связей атом бора переходит в возбужденное состояние

₅B^* - 2s¹2p²

Все валентные электроны бора используются на образование s-связей, несвязывающих электронов нет. Атом бора находится в состоянии sp²- гибридизации. Молекула имеет пространственную форму треугольника с валентным углом равным 120⁰. Суммарный дипольный момент молекулы равен нулю, молекула неполярна

Молекула СО₂ . Атом углерода образует четыре ковалентные связи с атомами кислорода: две s- и две p -связи.

p p

О С О

s s

Для образования четырех связей по обменному механизму атом углерода переходит в возбужденное состояние:

₆С^* - 2s¹2p³

Электронная формула валентных орбиталей кислорода

₈О – 2s²2p⁴

В образовании s-связей участвуют одна s- и одна р-орбиталь атома углерода, т.е. имеет место sp- гибридизация валентных орбиталей.

Не задействованные в образовании s-связей две одноэлектронные р-орбитали углерода не участвуют в гибридизации («чистые» орбиталии ) и образуют две p -связи с р-электронами атомов кислорода. Молекула СО₂ имеет линейную структуру, валентный угол равен 180⁰, дипольный момент молекулы равен нулю. μ₁ μ₂

О

Задача 6.

На основании метода локализованных электронных пар определить пространственную конфигурацию молекул СН₄; NH₃; H₂O. Объясните характер изменения валентных углов НЭО в ряду СН₄ (109,5⁰), NH₃ (107,3⁰), H₂O (104,5⁰). Каким типом гибридизации описывается пространственная конфигурация этих молекул? Полярны или неполярны эти молекулы? Рассмотрите конфигурацию этих молекул с позиции теории гибридизации. Объясните влияние неподеленной электронной пары на пространственную конфигурацию этих молекул.

РЕШЕНИЕ. Последовательность действий для предсказания геометрии молекул на основании теории локализованных электронных пар следующая:

1.Подсчитывают число валентных электронов молекулы или иона и записывают электронную валентную структуру (льюисову структуру);

2.По валентной структуре определяют число s-связывающих и несвязывающих электронных пар, т.е. тип молекулы AB_nE_m (n – число s - связей, m – число несвязывающих электронных пар);

3. По числу локализованных s - электронных пар и типу молекулы предсказывают пространственную конфигурацию молекулы и тип гибридизации, описывающий эту пространственную конфигурацию (с помощью табл.2).

В молекулах СН₄; NH₃; H₂O по восемь валентных электронов ( СН₄ – 4+4, NH₃ – 5+3, H₂O – 6+2), которые образуют по четыре s - связывающие и несвязывающие электронные пары вокруг центрального атома.

Электронные (льюисовы) структуры для этих молекул имеют вид:

Н · · · ·

Н N H H O H

H C H · ·

H

H

Вокруг атома углерода локализовано четыре s-связывающие электронные пары (по числу атомов водорода), вокруг атома азота три s-связывающие электронные пары (по числу атомов водорода) и одна несвзывающая электронная пара, вокруг атома кислорода – две s - связывающие и две несвязывающие электронные пары. Данные молекулы относятся к типу АВ₄ (СН₄), АВ₃Е (NH₃), АВ₂Е₂ (H₂O), что соответствует sp³- гибридизации. Молекула метана имеет форму правильного тетраэдра с атомом углерода в центре. В молекуле аммиака одна из вершин тетраэдра занята несвязывающей электронной парой, поэтому молекула имеет форму тригональной пирамиды. В молекуле воды две вершины тетраэдра заняты электронными парами, а сама молекула имеет угловую форму.

Увеличение числа несвязывающих электронных пар центрального атома, отталкивание между которыми проявляется в большей степени, приводит к уменьшению валентного угла НЭН в ряду этих молекул.

Рассмотрим пространственную конфигурацию этих молекул в рамках теории гибридизации.

Валентные электроны центральных атомов C, N и О распределены по атомным орбиталям следующим образом:

₆C ….2s²2p²

₆С^*....2s¹2p³. – возбужденное состояние

₇N …..2s²2p³

₈O …..2s²2p⁴

Молекула СН₄.У атома углерода на четырех валентных орбиталях расположены 4 электрона, которые образуют 4 s - связи с атомами водорода. Комбинация одной s – и трех р-орбиталей приводит к sp³ гибридизации. Молекула имеет форму правильного тетраэдра, к вершинам которого и направлены гибридные орбитали. Валентный угол НСН равен 109⁰28^`. Симметричная молекула СН₄ имеет дипольный момент, равный нулю (неполярна), так как векторная сумма дипольных моментов четырех полярных s - связей равна нулю.

Молекула NH₃. У азота на четырех валентных орбиталях находятся 5 электронов, которые образуют три s - связи с атомами водорода. Одна пара электронов оказывается несвязывающей. Тип гибридизации sp³, но одна из вершин тетраэдра занята несвязывающей электронной парой, поэтому молекула NH₃ имеет форму тригональной пирамиды. Валентный угол HNH равен 107⁰3`. Векторная сумма дипольных моментов связей не равна нулю, молекула полярна.

Молекула H₂O. У кислорода в молекуле H₂O на четырех валентных орбиталях располагаются 6 электронов, которые образуют 2s - связи с атомами водорода и две несвязывающие пары электронов.Тип гибридизации sp³.

Две вершины тетраэдра заняты несвязывающими электронными парами, поэтому молекула H₂O имеет угловую форму. Валентный угол НОН равен 104⁰5`. Векторная сумма дипольных моментов связей не равна нулю, молекула полярна.

С позиций теории гибридизации уменьшение валентного угла НЭН объясняется увеличением по периоду энергетического различия между 2s- и 2р – орбиталями и уменьшением вклада 2s – орбиталей при гибридизации с 2р – орбиталями. Это приводит к уменьшению валентного угла и приближению его к 90⁰.