Практикум. 
Химия

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дайте определение химической связи. Перечислите виды химической связи.
• 2. Охарактеризуйте такие свойства ковалентной связи, как длина, прочность, полярность, поляризуемость.
• 3. Чем объясняется направленность ковалентной связи? Изложите основные положения теории гибридизации атомных орбиталей Полинга.
• 4. Охарактеризуйте о-, я-, 5-связь и механизм образования кратных связей.
• 5. Охарактеризуйте обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи.
• 6. Опишите свойства ионной связи.
• 7. В чем состоит принципиальное различие методов ВС и МО?
• 8. Опишите порядок заполнения молекулярных орбителей электронами. Дайте определение порядка связи. Охарактеризуйте связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали.
• 9. Объясните особенности металлической связи и строение кристаллической решетки металлов.
• 10. Охарактеризуйте силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса, водородную связь).
• 11. Охарактеризуйте особенности жидкого состояния. Дайте определения понятиям: поверхностное натяжение, испарение, конденсация, насыщенный пар, температура кипения.
• 12. Охарактеризуйте свойства веществ в твердом состоянии, исходя из строения их кристаллических решеток.

Примеры выполнения заданий

1. Укажите тип химической связи в соединениях: I₂, Cs₂0, СН₄.

Решение. Тип химической связи определяется степенью ее полярности, которая зависит от разности относительных элсктроотрицательностей атомов, образующих связь (ДОЭО).

1₂ — связь между атомами иода осуществляется перекрыванием р-облаков. Так как атомы, образующие связь, одинаковы, имеют одинаковую относительную электроотрицательность (ОЭО), общее электронное облако в равной степени принадлежит обоим атомам. Связь — ковалентная неполярная.

Cs₂0 — связь между атомом цезия и атомом кислорода ионная, так как ее образуют типичный металл и типичный неметалл. ДОЭО = 3,5 — 0,7 = = 2,8 (см. приложение 2). Электрон от атома металла переходит к атому кислорода, обладающему большим значением ОЭО.

СН₄ — связи в молекуле ковалентные полярные, поскольку атомы углерода и водорода отличаются по электроотрицательности незначительно (ДОЭО = 2,5 — 2,1 = 0,4). Общее электронное облако связи С—Н смещено к углероду.

2. Расположите связи Cs—Н, Ва—Н, а также Ge—F, Si—F, С—F, Sn—F в порядке возрастания их длины (d), укажите, как изменяется в этих рядах прочность (?_св), полярность (ДОЭО) и поляризуемость связи.

3. Пользуясь методом валентных связей, проведите анализ химической связи в соединениях: а) Н₃Р0₄; б) С₂Н₂.

Решение.

Предлагаем следующую последовательность выполнения задания.

• 1. Определите степень окисления атомов элементов по химической формуле соединения.
• 2. Постройте графические формулы валентного электронного уровня атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, оцените их валентные возможности.
• 3. Постройте графическую формулу молекулы вещества и оцените ее достоверность с учетом валентных возможностей всех атомов, входящих в состав соединения. Обозначьте, а и л-связи.
• 4. Определите координационное число центрального атома по числу образованных им a-связей, укажите его ковалентность.
• 5. Укажите тип гибридизации орбиталей центрального атома (если она имеет место в данном соединении). Для этого в соответствии с числом a-связей атома отделите на графической формуле его валентного слоя необходимое число орбиталей, начиная с s-орбитали. Так, если атом образует две a-связи, то при этом происходит sp-гибридизация; три а-связи осуществляются тремя гибридными 5/?²-орбиталями, четыре — четырьмя

$р³-орбиталями и т. д. Каждому типу гибридизации атомных орбиталей соответствуют определенный валентный угол и пространственное строение частицы. Укажите их.

• 6. Определите орбитали центрального атома, идущие на образование л-связей. Это негибридизованные р- или ^/-орбитали с неснаренными электронами, оставшиеся после образования су-связей.
• 7. На графической формуле вещества обозначьте орбитали атомов, участвующие в образовании каждой связи.
• а) ПзР⁺³С>4²

В соответствии со степенью окисления атома фосфора от него оттянуто пять электронов к атомам более электроотрицательного элемента (кислорода). Чтобы образовать пять химических связей, атом фосфора должен иметь пять неспаренных электронов. Это возможно при переходе одного s-электрона на свободную^{-орбиталь} (возбужденное состояние атома, Р*).

Составим графическую формулу фосфорной кислоты.

Из формулы следует, что координационное число атома фосфора равно четырем, так как он образует четыре a-связи. Для этого необходимы четыре орбитали. Близкие по энергии одна s- и три р-орбитали валентного слоя выравниваются по форме и энергии — гибридизуются, образуя четыре ^³-гибридныс орбитали, направленные в пространстве иод углом 109°28', в результате чего фосфат-ион имеет форму тетраэдра.

Негибридизованная одноэлектронная rf-орбиталь атома фосфора образует л-связь с р-орбиталью атома кислорода за счет бокового перекрывания.

Атомы кислорода и водорода образуют химические связи перекрыванием соответственно р и 5-облаков с орбиталями соседних атомов.

Итак, в молекуле Н₃Р0₄ центральный атом фосфора имеет:

степень окисления +5;

валентность 5;

координационное число 4;

тин гибридизации sp³.

б)С~₂Щ

Известно, что во всех органических соединениях углерод четырехвалентен.

Следовательно, графическая формула ацетилена имеет вид:

Из трех связей между атомами углерода — одна a-связь и две л-связи. Каждый атом углерода образует по две a-связи (одну с атомом углерода, другую — с атомом водорода). Координационное число атома углерода равно двум, тип гибридизации — sp, валентный угол (<�НСС) — 180°, молекула линейна.

Итак, в молекуле С₂Н₂ атомы углерода имеют:

степень окисления -1;

валентность 4;

координационное число 2;

тип гибридизации sp.

4. Предположите возможность существования частиц IJ₂ и N0 с позиций метода молекулярных орбиталей. Приведите электронные формулы этих частиц, оцените их прочность.

Решение.

Li 2 — каждый атом лития содержит три электрона, катион Li₂ должен содержать пять электронов, и его электронная формула в соответствии с порядком заполнения молекулярных орбиталей имеет следующий вид:

Для оценки прочности связи рассчитывают ее кратность (со). Она равна полуразности чисел электронов, находящихся на связывающих и на разрыхляющих орбиталях:

Кратность связи меньше единицы, прочность связи мала, невелика и вероятность существования катиона Li₂.

10−5.

co (NO) = —-— = 2,5, молекула NO достаточно прочная.

Задания для самостоятельного выполнения.

1. Укажите тип химической связи в соединениях.

2. Расположите указанные химические связи в порядке возрастания указанных их свойств.

3. В соединениях, формулы которых приведены в таблице: а) укажите степень окисления атомов; б) приведите графические формулы вален гного слоя атомов; в) составьте графическую формулу молекулы с учетом валентных возможностей атомов; г) обозначьте аи тт-связи; д) укажите, перекрыванием каких электронных облаков они образованы; с) укажите тип гибридизации орбиталей центрального атома (если таковая имеет место) и пространственную конфигурацию молекулы.

4. Составьте энергетические диаграммы распределения электронов по молекулярным орбиталям реальных или гипотетических частиц, формулы кото зых указаны в таблице, оцените прочность этих частиц.

Тест для самоконтроля.

• 1. В какой строке приведены формулы веществ только с ковалентной полярной связью?
• 1) КС1, НС1, S0₂;
• 2) Вг₂, С0₉, С1₉0₇;
• 3) НС1, СН₄, Р₂0₅.
• 2. В какой строке связи расположены в порядке увеличения их прочности?
• 1) С-С, С=С, С=С;
• 2) С=С, С=С, С-С;
• 3) С=С, С-С, С=С.
• 3. Какова гибридизация центрального атома серы в молекуле H₂S0₄? )sp;
• 2) sp*;
• 3) sp³.
• 4. В какой строке связи расположены в порядке увеличения поляризуемости?
• 1) Н—F, Н—I, Н—Br, Н-С1;
• 2) H-Br, H-F, Н-I, Н-С1;
• 3) H-F, H-Cl, H-Br, H-I.
• 5. В какой строке связи расположены в порядке увеличения их длины?
• 1) Н—F, Н—I, H-Br, Н-С1;
• 2) H-Br, Н—F, H-I, Н—Cl;
• 3) H-F, Н-С1, Н-Br, Н—I;
• 6. В какой строке связи расположены в порядке увеличения их прочности?
• 1) Н—I, Н—Br, H-Cl, H-F
• 2) Н-Br, Н—F, Н-I, Н-С1;
• 3) Н—F, H-Cl, H-Br, H-I.
• 7. В какой строке связи расположены в порядке увеличения их полярности?
• 1) H-I, H-Br, H-Cl, H-F;
• 2) Н-Вг, H-F, H-I, Н-С1;
• 3) H-F, H-Cl, H-Br, H-I.
• 8. В какой строке приведены соединения только с ионным типом связи?
• 1) КС1, СО, ВаО;
• 2) СаС1₂, NH₃, НС1;
• 3) CaO, SrCl₂, NaF.
• 9. Какая связь характеризуется наличием делокализованных электронов?
• 1) ковалентная неполярная;
• 2) ковалентная полярная;
• 3) металлическая.
• 10. Какая связь характеризуется ненасыщаемостью и ненаправленностью?
• 1) ковалентная неполярная;
• 2) ионная;
• 3) ковалентная полярная.

Ответы к тесту

Лабораторная работа № 3 Расчет длины химической связи

Цель работы: рассчитать длину связей в соединениях с ковалентной и ионной связью.

Оборудование: калькулятор, справочные данные таблиц «Ковалентные радиусы элементов» (табл. 4.4) и «Ионные радиусы некоторых элементов» (табл. 4.5).

Расстояния между атомами в молекулах всегда меньше суммы радиусов атомов в свободном состоянии, поскольку перекрывание электронных облаков при образовании связи ведет к сближению ядер атомов.

Длины связей в молекулах определяются с помощью спектроскопических и дифракционных методов. Длина связи несет информацию о прочности связи: чем меньше длина, тем прочнее связь.

Одинаковые связи в молекулах различных соединений имеют близкие по значению длины. Постоянство длин связей позволяет определить радиус атомов, участвующих в образовании ковалентной связи. Рассматривая межъядерное расстояние как сумму двух радиусов, длину ковалентной связи между одинаковыми атомами делят пополам и находят ковалентный радиус атома, который меньше радиуса атома в свободном состоянии. Используя известные значения радиусов, можно определять радиусы других атомов исходя из полученных в опыте значений длин связей. По известным ковалентным радиусам можно рассчитать длины связей в молекуле. Получаемые таким образом значения согласуются с опытными с точностью до 5%.

Для ионных веществ описанный выше подход неприменим, так как в ионных кристаллах на концах связей находятся различные атомы. К тому же ионные эффекты обусловливают уменьшение длины связи по сравнению с ковалентной. Определение ионных радиусов проводят следующим способом: для изучения берутся ионные кристаллы однотипных соединений, в которых размеры отрицательных ионов больше размеров положительных, например, иодиды некоторых щелочных металлов или селениды щелочноземельных металлов. В ряду таких соединений расстояния между анионами (I—I, Se-Se) постоянны. Это указывает на то, что анионы в кристаллической решетке соприкасаются между собой. Поделив межъядерное расстояние пополам, можно найти ионный радиус аниона. Положительные ионы в кристаллах таких соединений находятся в дырках между анионами. Исследование множества ионных соединений позволило составить таблицы ионных радиусов.

Для расчета длины связей используйте данные таблиц «Ковалентные радиусы элементов» и «Ионные радиусы некоторых элементов».

Ход работы Для выполнения работы необходимо провести анализ химических связей предложенных молекул.

Анализ связи проводится в следующей последовательности, результаты анализа заносятся в таблицу: а) укажите степень окисления атомов в предложенной молекуле; б) приведите графические формулы валентного слоя атомов; в) укажите валентность атомов в соединении; г) составьте графическую формулу молекулы с ковалентным типом связи, учитывая валентные возможности атомов; д) укажите тип гибридизации орбиталей центрального атома (если таковая имеет место).

Во вторую таблицу занесите: а) все связи между атомами в молекуле;

б) укажите их тип; в) обозначьте ои тт-связи; г) укажите, перекрыванием каких электронных облаков они образованы; д) рассчитайте длину связей; е) укажите значения углов между связями.

Пример. Рассчитайте длину связей в молекулах Н₂СО_л и СаО.

В возбужденном состоянии атом углерода имеет четыре неспаренных электрона, следовательно, он может проявить валентность, равную четырем. Учитывая степень окисления углерода в молекуле угольной кислоты, равную +4, можно сделать вывод о том, что он образует четыре связи с тремя более электроотрицательными атомами кислорода, которые оттягивают на себя электроны углерода. При этом два атома кислорода присоединяются к атому углерода одинарными a-связями, а третий — двойной связью (а и тт). Второй неспаренный электрон каждого из двух вышеуказанных атомов кислорода идет на образование а-связсй с атомами водорода, имеющими, но одному неспаренному электрону. Кислород оттягивает на себя общую с водородом электронную пару, поэтому степень окисления водорода +1.

Таблица 4.4

Ковалентные радиусы некоторых хи p-элементов, нм, в одинарных, двойных и тройных связях (два последних даны в скобках)

Таблица 4.5

Ионные радиусы, нм, некоторых элементов