Строение атома. Химическая связь

Индивидуальное  домашнее задание № 3.

Строение атома. Химическая связь

 

Примеры решения задач

Пример 1. Комбинация каких атомных орбиталей и в каком количестве возможна, если значение главного квантового числа для электронов равно 4? Каково максимально возможное число электронов на данном энергетическом уровне?

Решение.

Главное квантовое число  n = 4 – это четвертый энергетический уровень. На четвертом энергетическом уровне электроны могут находиться на четырех подуровнях: s, p, d и f. На s-подуровне одна орбиталь (орбитальное квантовое число l = 0, магнитное квантовое число m = 0), на р-подуровне три орбитали (l = 1, m = –1, 0, +1), на d-подуровне – пять орбиталей (l = 2, m= –2, –1, 0, +1, +2), на f-подуровне – семь орбиталей (l = 3, m= –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3).

Так как по принципу Паули  на каждой орбитали может быть не более двух электронов, максимальное число электронов на четвертом уровне составит:    1·2ē + 3·2ē + 5·2ē + 7·2ē = 32ē.

 

Пример 2. Составьте электронные формулы (в порядке заполнения орбиталей) атомов калия, кальция, скандия, мышьяка и церия. Укажите, к какому семейству элементов принадлежит каждый из них. Каковы их валентные возможности.

Решение.

Атомы калия и кальция имеют  электронное строение:

₁₉ К    1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹,       ₂₀Ca  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Оба элемента принадлежат  к s-элементам, так как последний  по заполнению электрон размещается на s-подуровне. В этом случае валентными будут являться s-электроны, соответственно один электрон у атома K и два электрона у атома Ca.

Строение атома скандия :   ₂₁ Sc  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹. В этом случае сначала заполняется 4s-подуровень, и только затем 3d-подуровень. Скандий d-элемент. У этого элемента три валентных электрона, которые имеют конфигурацию 3d¹4s².

Атом мышьяка:   ₃₃As 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³. Это – p-элемент. Валентных электронов у атома мышьяка пять, они имеют конфигурацию 4s²4p³, поэтому As может проявлять валентность, равную трем и пяти.

Атом церия: ₅₈Ce 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f². Церий –  
f-элемент, конфигурация валентных электронов 4f²6s² , он может проявлять валентность, равную двум и четырем.

 

Пример 3. Составьте электронные формулы атома элемента с порядковым номером 12, находящегося в нормальном и возбужденном состояниях. К какому семейству элементов принадлежит данный элемент? Укажите координаты элемента в периодической системе и значения всех квантовых чисел валентных электронов.

Решение.

Всего у атома данного элемента 14 электронов. Они расположены согласно энергетической последовательности атомных  орбиталей в многоэлектронном атоме следующим образом:

в нормальном состоянии  –  1s²2s²2p⁶3s²3p², что которому соответствует электронно-структурная формула

3p

3s

2p

2s

1s

 

в возбужденном состоянии  –  1s²2s²2p⁶3s¹3p³, что соответствует схеме:

3p

3s

2p

2s

1s

 

 

Данный элемент принадлежит  к семейству p-элементов, так как последний по порядку заполнения электрон занял p-подуровень. Находится он в третьем периоде (так как последний по заполнению уровень – третий), в четвертой группе (сумма s- и p-электронов последнего уровня равна 4), главной подгруппе (так как это p-элемент). Валентными являются все четыре электрона, находящиеся на третьем s- и p-подуровнях. Максимальная валентность равна четырем.

Квантовые числа валентных электронов атома в возбужденном состоянии:

n                     l                    m                     s

3s¹                       3                     0                    0                    1/2

3p³                       3                    1              –1,  0,  +1            1/2

для каждого ē                     для каждого ē

 

Пример 4. Сера образует химические связи с калием, водородом, бромом и углеродом. Какие из связей наиболее и наименее полярны? Укажите, в сторону какого атома происходит смещение электронной плотности связи.

Решение. Используя значения относительных электроотрицательностей элементов (см. приложение), находим разности относительных электроотрицательностей серы и элементов, образующих с нею химическую связь:

а) сера–калий: 2,6 – 0,91 = 1,69, смещение в сторону атома серы;

б) сера–водород: 2,6 – 2,1 = 0,5, смещение в сторону атома серы;

в) сера–бром: 2,6 – 2,74 = –0,14, смещение в сторону атома брома;

г) сера–углерод: 2,6 – 2,5 = 0,1, смещение в сторону атома серы.

Чем больше по абсолютному  значению разность относительных электроотрицательностей, тем более полярна связь. В данном примере наиболее полярной является связь сера–калий, а наименее полярной – связь сера–углерод.

 

Пример 5.

Покажите характер связей в молекуле СО₂ и их взаимное расположение..

Решение. Запишем электронные формулы атомов кислорода и углерода (в нормальном и возбужденном состояниях):

O 1s²2s²2p⁴  ;                             С 1s²2s²2p² ;                С 1s²2s¹2p³ .

Так как каждая связь  между атомами О и С двойная (одна s и одна p), для образования двух p-связей потребуется участие двух p-орбиталей атома углерода. Оставшиеся s- и p-орбитали дают две sp-гибридные орбитали, образующие угол в 180⁰. Молекула СО₂ имеет линейное строение, а дипольный момент молекулы равен нулю:

                                                                                               p       p

                                                                                 или  О == С == О .

                                                                                               s       s

                                         О ==  С  ==  О

 

Пример 6. Определите тип гибридизации орбиталей атомов углерода в молекулах этана С₂Н₆, этилена С₂Н₄ и ацетилена С₂Н₂ и изобразите геометрическую форму этих молекул.

Решение.

В органических соединениях  атом углерода всегда имеет валентность, равную четырем, следовательно, находится  в возбужденном состоянии  
С 1s²2s¹2p³.

Структурная формула молекулы этана:                       Н    Н

½            ½

Н – С – С – Н

½            ½

 Н    Н

 

В молекуле этана семь ковалентных σ-связей. Шесть из них – связи С–Н образованы в результате перекрывания sp³-гибридных орбиталей атомов углерода с 1s-орбиталями шести атомов водорода. Седьмая связь – между углеродными атомами – образуется за счет перекрывания sp³-гибридных орбиталей атомов углерода.

Молекула этилена имеет структурную формулу:    Н – С ═ С – Н.

½            ½

 Н    Н

Атомные орбитали (АО) каждого из углеродов  находятся в sp²-гибридном состоянии, то есть имеет место гибридизация одной s- и двух p-атомных орбиталей углерода с образованием трех эквивалентных гибридных орбиталей, расположенных в одной плоскости. Угол между осями этих орбиталей составляет 120⁰. У каждого атома углерода остается по одному p-электрону, не принявшему участие в гибридизации. Оба углеродных атома образуют по три σ-связи с участием sp²-гибридных орбиталей: σ_С-С-связь возникает в результате перекрывания двух sp²-гибридных АО между собой;  σ_С-Н-связи образуются при перекрывании  sp²-гибридных АО углерода с s-орбиталями атомов водорода. Кроме того, происходит перекрывание между собой не вступивших в гибридизацию р-электронных орбиталей атомов углерода (с параллельными осями). Это перекрывание происходит в плоскости, перпендикулярной к плоскости молекулы, и приводит к образованию π-связи. Следовательно, в молекуле этилена имеется двойная связь, представляющая сочетание σ- и π-связей:

Молекула ацетилена имеет структурную формулу:    Н – С ≡ С – Н.

В молекуле ацетилена атомы углерода, связанные тройной связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. В этом случае происходит гибридизация одной s- и одной p-атомных орбиталей углерода с образованием двух эквивалентных гибридных орбиталей, расположенных на одной линии. Угол между осями этих орбиталей составляет 180⁰. При этом у каждого атома углерода остается по два 2p-электрона, не принявших участие в гибридизации и расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом σ_С-С-связь образуется при перекрывании двух sp-гибридных АО между собой; 

σ_С-Н-связи образуются при перекрывании  sp-гибридных АО углерода с s-орбиталями атомов водорода. В этой молекуле все атомы лежат на одной прямой и молекула является линейной.

Не вступившие в гибридизацию р-электронные  орбитали одного атома углерода взаимно перекрываются с аналогичными орбиталями другого атома так, что образуются две π-связи, причем каждая в своей плоскости. Угол между плоскостями  π-орбиталей составляет 90 ⁰.Таким образом, тройная связь в молекуле ацетилена состоит из σ-связи  и двух π-связей:

****************************

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 

Вариант 1

1. Составьте электронную формулу атома германия и укажите значения всех квантовых чисел для валентных электронов.

2. В каких из указанных соединений  СН₄, N₂, С₂Н₂, SО₂ имеет место p-связь?

3. Определите тип гибридизации орбиталей атома алюминия молекулы AlBr₃ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 2

1. Какова форма атомной орбитали, если орбитальное квантовое число  равно 2? Какие значения при  этом может принимать магнитное квантовое число?

2. Сколько s- и p- связей имеется в молекулах C₂H₂ и АsН₃?

3. Определите тип гибридизации орбиталей атома кремния молекулы SiH₄ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 3

1. Составьте электронную формулу атома марганца. Укажите значения всех квантовых чисел для валентных электронов атома марганца.

2. Каков характер связи и как  он изменяется в ряду LiF, ВеF₂, ВF₃, СF₄? Изобразите геометрическую форму этих молекул.

3. Определите тип гибридизации орбиталей атома германия в молекуле GеJ₄ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 4

1. Укажите значения всех квантовых  чисел для валентных электронов  атома таллия.

2. Составьте электронную формулу  иона платины, содержащегося в  соединении [Pt(NH₃)₂Cl₂].

3. Какова пространственная структура  молекулы Н₂S, изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 5

1. Укажите значения всех квантовых  чисел для электронов внешнего  уровня атома вольфрама.

2. Составьте электронную формулу  иона хрома, содержащегося в соединении [Сг(H₂O)₆]Cl₃.

3. Сколько s - и p - связей имеется в молекуле СS₂ и NF₃?

Вариант 6

1. Укажите значения всех квантовых  чисел для следующего состояния  электронов третьего энергетического  уровня:ï­ï­ï  ï.

2. Составьте электронную формулу  иона железа, содержащегося в соединении K₃[Fe(CN)₆].

3. Определите тип гибридизации  орбиталей атома галлия в галогенидах формулы GаНаl₃ и изобразите геометрическую форму этих молекул.

Вариант 7

1. Укажите значения всех квантовых  чисел для электронов внешнего уровня атома урана.

2. Составьте электронную формулу  иона никеля, содержащегося в  соединении K₃[Ni(NO₂)₆].

3. Определите тип гибридизации  орбиталей атома германия в  молекуле GеJ₄ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

 

Вариант 8

1. Составьте электронную формулу атома стронция. Какие значения имеют главное и орбитальное квантовые числа валентных электронов атома стронция?

2. Сколько s- и p- связей имеется в молекуле С₂Н₂?

3. Определите тип гибридизации орбиталей атома стронция в молекуле SrBr₂ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 9

1. Составьте электронную формулу атома железа и укажите значения всех квантовых чисел для электронов внешнего уровня этого атома.

2. Какова геометрическая форма этих молекул BаF₂ и ВСl₃.

3. Определите тип гибридизации орбиталей атома бора в молекуле ВF₃ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 10

1. Составьте электронную формулу атома ртути. Укажите значения всех квантовых чисел для электронов внешнего уровня этого атома.

2. В каком из перечисленных соединений: Н₂S, НС1, J₂, Н₂ - образуется s-связь за счет перекрывания р-АО?

3. Определите тип гибридизации орбиталей атома таллия в молекуле ТlF₃ и изобразите геометрическую форму этой молекулы.

Вариант 11