Составление формул химических соединений

Чтобы ясно представить себе сам процесс образования молекул из атомов, можно иметь в виду в качестве одного из возможных вариантов, например, такую картину. Большое число указанных в условии задачи атомов помещено в вакуум. В ходе теплового движения они сталкиваются и слипаются (то есть образуют химические связи) друг с другом. Готовой молекулой считается группа связанных между собой атомов, переставшая изменяться в результате этих столкновений.

? Известно, что молекула состоит только из атомов водорода и кислорода. Сколько атомов водорода и кислорода входит в ее состав, и как они связаны между собой?

Мы разберем два способа решения подобных задач. В любом случае для начала выпишем электронные формулы обоих атомов.

Основа этого метода - предположение, что все химические связи в будущей молекуле ковалентные. Еще одно правило: молекулы устроены так, что в них каждый атом имеет целиком заполненные орбитали наружного слоя (будем считать, что электроны, участвующие в образовании связи, принадлежат одновременно обоим связанным атомам).

Как видно из электронных формул, водород может образовать одну, а кислород - не более двух связей (для заполнения внешнего слоя кислород должен образовать обе связи). Поэтому молекула состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (рис. 1а)).

Теоретически решениями этой задачи являются также более длинные молекулы, содержащие неполярные ковалентные связи, например

Н-О-О-Н, Н-О-О-О-Н и так далее. Подобные молекулы действительно могут образоваться, однако при столкновениях с соответствующими атомами их неполярные связи легко разрушаются, заменяясь полярными ковалентными связями. Наиболее устойчивы цепочки из атомов углерода (с такими молекулами Вы уже знакомы) и кремния.

Число связей, образованных данным атомом в молекуле, называется валентностью этого атома. Обычно валентность можно предсказать с помощью метода валентных связей, однако иногда атомы могут проявлять неожиданные значения валентности. Например, строение молекулы угарного газа СО методом валентных связей предсказать нельзя. В подобных случаях используют более современные методы (например, метод молекулярных орбиталей).

Метод основан на предположении, что все связи в молекуле ионные, то есть при образовании молекулы более электроотрицательные атомы отбирают электроны наружного слоя у менее электроотрицательных. Причем все ионы образующейся молекулы должны иметь заполненный наружный электронный слой.

Электроотрицательность кислорода больше электроотрицательности водорода, поэтому в рамках метода ионных связей можно считать, что атомы водорода отдают электроны атомам кислорода.

Степень окисления данного атома в молекуле - это заряд данного атома, вычисленный исходя из предположения, что все химические связи этого атома - ионные.

Каждый атом водорода в данном случае отдает свой единственный электрон (приобретая на внешнем слое заполненную 1s- орбиталь и степень окисления +1). Каждый атом кислорода принимает два электрона (по одному на 2р_x- и 2р_y- орбитали), его степень окисления -2.

Число электронов, принятых атомами кислорода, и отданных атомами водорода, участвующими в образовании молекулы, должно быть одинаковым (физически это одни и те же электроны). В простейшем случае атом кислорода один, тогда атомов водорода - два.

ОТВЕТ: графическая формула Н-О-Н, аналитическая - Н₂О.

! Почему наружный электронный слой обязательно должен быть заполнен?

Пусть мы наблюдаем за образованием молекул из отдельных атомов, сталкивающихся друг с другом и с частицами, получившимися при предыдущих столкновениях. Будем считать, что в данном конкретном случае образующиеся связи - ионные. В таком случае заданный вопрос сводится к трем более конкретным:

2. Может ли какой-то атом, отдав атомам другого элемента при нескольких первых столкновениях все электроны наружного слоя, при очередном столкновении отдать хотя бы один электрон из следующего слоя?

3. Может ли какой-то атом, полностью заполнив наружный слой, присоединить еще хотя бы один электрон?

Давайте возьмем в качестве примера какой-нибудь атом, например, хлор, и посмотрим, как меняется его электроотрицательность по мере отнимания у него одного электрона за другим. Электронная формула:

Заряд атомного остова +7, наружный электронный слой - третий. Используя нашу модель для сравнения электроотрицательности (см. стр. 24), видим, что:

1. По мере отнимания семи наружных электронов заряд атомного остова и радиус атома не меняются, поэтому его электроотрицательность тоже не меняется. Ответ на первый вопрос: да, такая молекула может появиться, но при последующих соударениях оставшиеся электроны наружного слоя этого атома будут отбираться так же легко, как и предыдущие.

2. Когда семь наружных электронов отобраны, наружным слоем становится второй, а заряд атомного остова становится равным +15. В природе нет элемента, атомы которого обладали бы электроотрицательностью, позволяющей отнять электрон у такой частицы. Поэтому ответ на второй вопрос: безусловно нет.

3. Пусть хлор теперь принимает электроны. Если бы он принял 4s- электрон, его наружным слоем стал бы 4s -, а заряд атомного остова стал бы равным -2! Но в таком случае этот 4s -электрон должен немедленно оттолкнуться от атома, ведь одноименные заряды отталкиваются! Поэтому ответ на третий вопрос - тоже нет.

Теперь попробуем предсказать строение молекул, состоящих из атомов азота и кислорода.

N (№7): 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹ O (№8): 1s² 2s² 2p_x² 2p_y¹ 2p_z¹

Электроотрицательность кислорода больше электроотрицательности азота, поэтому в рамках метода ионных связей можно считать, что атомы азота отдают электроны атомам кислорода

Азот в данном случае может отдать все пять электронов наружного слоя (при этом наружным становится заполненный первый слой, его степень окисления в этом случае +5). Кислород же принимает два электрона на 2р- орбитали, его степень окисления -2:

Попробуйте сами придумать, как определить количество атомов каждого элемента в молекуле, если известны степени их окисления.

Надо заметить, что мы предсказали далеко не все существующие в природе варианты строения молекул, состоящих из азота и кислорода. Известны, например, молекулы состава NO, N₂O, NO₂, N₂O₃. Их строение можно предсказать с помощью метода молекулярных орбиталей.

Мы только что предсказали, пользуясь методом валентных связей, что водород и кислород образуют молекулу, состоящую из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Это молекула воды. Обе ковалентные связи образованы 2р- электронами кислорода, поэтому угол между ними должен составлять около 90 градусов. Сами связи - ковалентные полярные, так как кислород заметно превосходит водород по электроотрицательности. Это означает, что область перекрывания орбиталей смещена в сторону атома кислорода, следовательно, он имеет небольшой отрицательный заряд δ-, а атомы водорода - небольшие положительные заряды δ+. Тогда, во-первых, угол между связями в молекуле воды должен быть несколько больше 90 градусов из-за отталкивания друг от друга положительно заряженных атомов водорода (в действительности этот угол составляет примерно 104,5 градусов), во-вторых, молекулы воды должны стремиться повернуться друг к другу противоположно заряженными концами (рис. 65).

Связь между положительно заряженным атомом водорода из одной молекулы, и каким-либо отрицательно заряженным атомом из другой молекулы (например, кислородом), называют водородной связью. Образование водородных связей снижает подвижность молекул воды, скрепляя их в группы (рис. 65). Образованию таких групп препятствует тепловое движение молекул воды. Поэтому при понижении температуры возрастают и размеры таких групп, и процент молекул воды, принявших участие в образовании групп. Объем при этом, естественно, уменьшается. При замерзании все молекулы воды образуют друг с другом водородные связи (при такой температуре они успешно противостоят тепловому движению), формируя ажурную конструкцию (кристаллическую решетку льда). Упаковка молекул при этом оказывается менее плотной, чем в жидкой воде при 0°С, поэтому объем при замерзании воды увеличивается. Отдельные участки кристаллической решетки льда начинают образовываться уже при +4°С, поэтому при охлаждении воды объем начинает увеличиваться именно с +4°С.

Давайте теперь бросим в воду маленький кристаллик поваренной соли (формула NaCl). Кристаллическая решетка этого вещества состоит из катионов натрия и анионов хлора (см. рис. 66). Молекулы воды, естественно, "облепляют" находящиеся на поверхности кристалла ионы, поворачиваясь к ним противоположно заряженными концами, и, за счет теплового движения, соединенными усилиями отрывают их от кристалла. Оторванные ионы натрия и хлора плавают по всему объему раствора в "шубе" из прочно прикрепившихся к ним молекул воды.

? Как Вы думаете, от каких особенностей поверхности твердого предмета зависит, будет она смачиваться водой или нет?

Энергия - одно из самых важных физических понятий. Любой предмет (или, как говорят физики, любое физическое тело) обладает какой-то энергией. Различают три основных вида энергии:

Кинетической энергией обладает любое движущееся тело. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v, равна

Тело обладает потенциальной энергией, если на него действует какая-то внешняя сила (например, оно притягивается к какому-нибудь телу, либо отталкивается от какого-нибудь тела). Например, потенциальная энергия тела массой m, поднятого над поверхностью земли на высоту h, равна E = mgh (здесь g – «ускорение свободного падения», множитель, учитывающий специфику планеты: для поверхности Луны g = 1,62 м/с², для Земли g = 9,81 м/с²).

Внутренняя энергия тела - это суммарная кинетическая и потенциальная энергия частиц (например, молекул или атомов), входящих в состав этого тела.

Полная энергия физического тела - это сумма его потенциальной, кинетической и внутренней энергий. Для всех известных современной физике явлений справедлив

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: