Приклади розв’язання типових завдань з теми 7

Завдання 1. Визначити типи хімічних зв’язків, які утворюються в сполуках: N₂, O₂, Cl₂, CaF₂, NaCl, Na, CH₄, LiH, BCl₃, HCl, CO, H₂O.

Розв’язання. У молекулах BCl₃, CH₄, H₂O, CO, HCl реалізуються

ковалентні полярні зв’язки між атомами, оскільки в цих сполуках різниця електронегативностей елементів DЕН 0 (Додаток 1).

У молекулах N₂, O₂, Cl₂ здійснюється ковалентний неполярний тип зв’язку, оскільки до складу кожної з цих молекул входять атоми тільки одного хімічного елемента з однаковими значеннями електронегативностей (DЕН = 0).

Речовини CaF₂, NaCl мають іонний тип зв’язку оскільки різниця електронегативностей елементів (DЕН ³ 1,9).

Завдання 2. Пояснити, чи можливе існування молекул PCl₅ і NCl₅ .

Розв’язання. Електронна будова атома Фосфору:

3 d

3 s

3 p

…

₁₅P 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ³ 3 d ⁰ B = 3.

 

3 s

3 p

…

3 d

Отже, у нормальному стані валентність Фосфору становить три, але в молекулі PCl₅ Фосфор п’ятивалентний (це його збуджений стан):

Р* … 3 s ¹ 3 p ³ 3 d ¹ B * = 5.

 

 

Отже, молекула PCl₅ може існувати, причому Фосфор утворює п’ять хімічних зв’язків за ковалентним обмінним механізмом.

Молекула NCl₅ не може існувати, тому що на другому валентному рівні атома Нітрогену немає d -підрівня:

 

 

 

 

₇N 1 s ² 2 s ² 2 p ³ … B = 3.

Для атома Нітрогену не існує збудженого стану, саме тому він може утворювати лише три хімічні зв’язки за ковалентним обмінним механізмом.

Завдання 3. Відомо, що валентний кут у молекулі SCl₂ становить 90^о, наведіть схему перекривання атомних орбіталей під час утворення цієї молекули. Чому ця молекула полярна?

Розв’язання. Наводимо електронні конфігурації валентних рівнів атомів Сульфуру та Хлору:

3 p

₁₆S … 3 s ²3 p ⁴ … B = 2;

3 p

3 s

₁₇Cl … 3 s ²3 p ⁵ … В = 1.

3 s

Обидва неспарені р -електро-ни Сульфуру беруть участь в утворенні двох s-зв’язків із двома атомами Хлору, які мають по одному неспареному електрону на р -атомній орбіталі. Тому молекула SCl₂ має кутову будову з валентним кутом 90°. Полярність молекули пояснюється тим, що сума дипольних моментів окремих зв’язків, що утворюють молекулу, не дорівнює нулю ( ≠ 0).

Завдання 4. Визначити типи гібридизації центральних атомів, зобразити геометричні конфігурації: а) молекули амоніаку NH₃; б) молекули води Н₂О.

Розв’язання. а) Експериментально встановлено, що молекула амоніаку має пірамідальну геометричну форму, причому неподілена електронна пара (НЕП) атома Нітрогену напрямлена до однієї з вершин тетраедра. Всі зв’язки N-H у цій молекулі є рівноцінними, а валентні кути становлять 107°.

Якщо виходити з електронних формул атомів, що складають молекулу NH₃, хімічні зв’язки можуть бути утворені внаслідок перекривання трьох одноелектронних р -орбіталей атома Нітрогену з одноелектронними s -рбіталями трьох атомів Гідрогену.

­

₇N … 2 s ²2 p ³ … B = 3;

2 p

1 s

₁H 1 s ¹ B = 1.

	НЕП
		2 s

Але в цьому випадку утворюється молекула пірамідальної просторової будови з кутами між зв’язками N-H, близькими до 90°, що не збігаються з експериментальними результатами.

Тому необхідно зробити припущення, що в атомі Нітрогену в момент утворення хімічного зв’язку відбувається sp³ -гібридизація валентних орбіталей. При цьому одна з гібридних орбіталей має неподіленими електронними парами НЕП, а три інші – по одному електрону:

 

 

Підсумковий дипольний момент молекули NH₃ відрізняється від нуля , тому молекула амоніаку полярна.

НЕП

б) У молекулі води також відбувається sp ³-гібридизація атомних орбіталей центрального атома (Оксигену), тому молекула Н₂О також має форму тетраедра, але з двома неподіленими електронними парами, напрямленими до вершин тетраедра:

₈O … 2 s ²2 p ⁴ … B = 2;

 

 

Отже, дві атомні орбіталі Оксигену утворюють два s-зв’язки з s -орбіталями атомів Гідрогену, а дві інші гібридні орбіталі заповнені неподіленими електронними парами (НЕП).

Сумарний дипольний момент молекули Н₂О відрізняється від нуля , тобто молекула води також полярна.

У розглянутих молекулах амоніаку і води атомні орбіталі з неподіленими електронними парами (НЕП) не беруть участі в утворенні хімічного зв’язку, тобто вони є незв’язуючими. Зв’язуюча електронна пара знаходиться між двома взаємодіючими атомами і займає менший простір, ніж незв’язуюча. Тому відштовхування незв’язуючої пари проявляється більшою мірою, ніж зв’язуючої. Зменшення валентних кутів у ряді молекул СН₄, NH₃ і Н₂О (відповідно 109,5°; 107° i 104,5°) обумовлене наявністю та збільшенням кількості незв’язуючих

 

орбіталей центрального атома за однакового типу гібридизації (sp ³).

Завдання 5. Визначити типи гібридизації атомних орбіталей, які відбуваються в молекулах: а) СаН₂; б) BBr₃; в) CІ₄. Зобразити їх геометричні конфігурації, оцінити валентні кути.

Розв’язання. а) У нормальному стані атом Кальцію має валентність, що дорівнює нулю (на валентному рівні немає неспарених електронів):

Са … 4 s ² … B = 0.

		4 s

У сполуці СаН₂ Кальцій двовалентний, тобто знаходиться у збудженому стані:

Са* … 4 s ¹4 p ¹ … B * = 2.

	2 s

Отже, можна припустити, що відбувається sp -гібридизація атомних орбіталей центрального атома - Кальцію.

Валентний електрон атома Гідрогену, який бере участь в утворенні хімічного зв’язку, знаходиться на s -атомній орбіталі, яка має форму кулі:

4 р

­

₁H 1 s ¹ B = 1,

 

Са

 

Н Н

Валентний кут у молекулі СаН₂ становить 180°, тому вона лінійна. Хоча молекула СаН₂ має два ковалентні полярні зв’язки Са-Н, унаслідок лінійної та симетричної будови вона є неполярною .

б) У нормальному стані атом Бору має валентність, що дорівнює одиниці:

 

2 р

2 s

 

 

₅В 1 s ²2 s ²2 p ¹ … B = 1.

 

У сполуці BBr₃ Бор тривалентний, отже, знаходиться у збудженому стані:

B* … 2 s ¹2 p ² … B * = 3.

2 р

2 s

2 р

2 s

Оскільки всі зв’язки в молекулі BBr₃ рівноцінні, можна констатувати, що вона має симетричну будову, а тип гібридизації атомних орбіталей Бору - sp ² з валентним кутом 120^о.