Определение степени ионности связей, направления смещения электронной пары в молекуле вещества

Задача 228. 

Энергия ионизации атомов фтора и хлора составляет соответственно 17,4 и 13,0 эВ, а энергия сродства к электрону 3,45 и 3,61 эВ. для какого из этих элементов более характерно образование ионных соединений? Указать знак заряда ионов галогенов в этих соединениях. 
Решение:
Энергия ионизации – это энергия, которую необходимо затратить для удаления электрона из изолированного, свободного атома, находящегося в основном состоянии, на бесконечно большое расстояние. 

Сродство к электрону – это энергия, которая выделяется в результате присоединения электрона электроотрицательным атомом и превращения его в анион.

Таким образом, фтор, обладая большей энергией ионизации, чем хлор, способен сильнее удерживать неспаренный электрон, т.е. проявляет в большей степени неметаллические свойства. Фтор обладает самой высокой электроотрицательностью из всех химических элементов, поэтому обладает более выраженной способностью к образованию ионных соединений, чем хлор.

Обладая меньшей энергией сродства к электрону фтор в большей степени, чем хлор, способен образовывать ионы. 

Электронная конфигурация валентного энергетического уровня атомов фтора и хлора может быть представлена формулой  ns²np⁵, т.е на внешнем валентном слое их атомы содержат по семь электронов и, присоединяя недостающий восьмой электрон, превращаются в однозарядные анионы F^—  и  Cl^—, которые имеют устойчивую электронную конфигурацию благородного газа аргона. 

Таким образом, для фтора более характерно образование ионных соединений, чем для хлора. Фтор и хлор образуют ионы знак заряда, которых -1.

Задача 229. 
Указать тип химической связи в молекулах Н₂, С1₂, НСI. Привести схему перекрывания электронных облаков.
Решение:
В молекулах Н₂ и Cl₂ наблюдается ковалентная неполярная связь, а в HCl – ковалентная полярная.
Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами от двух разных атомов, причём электроны с противоположно направленными спинами. Эта электронная пара принадлежит одновременно двум атомам. Комбинации таких двухэлектронных двухцентровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем. Например: 

Схемы перекрывания электронных облаков имеют вид:

а) Для Н₂ .

Общая электронная пара расположена на одинаковом расстоянии от центров обоих атомов водорода – связь ковалентная неполярная.

б) Для Cl₂    

Общая электронная пара расположена на одинаковом расстоянии от центров обоих атомов хлора – связь ковалентная неполярная. 

в) Для HCl  

Общая электронная пара атомов водорода и хлора смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора – связь ковалентная полярная. 

Во всех случаях перекрывание атомных орбиталей происходит на межъядерной оси, т.е. образуются -связи (сигма-связь). 

В молекулах Н₂ и Cl₂ электронная пара расположена на одинаковом расстоянии от атомных ядер, потому что электроотрицательность атомов в молекулах простых веществ Н₂ и Cl₂ одинаковая, связь ковалентная неполярная. В молекуле HCl электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома Cl (электроотрицательность Cl равна 2,9, а Н – 2,16), связь ковалентная полярная, образующаяся между разными атомами.

Задача: 230.
Пользуясь таблицей относительных электроотрицательностей, вычислить их разность для связей К — С1, Са — С1, Fе — С1, Gе — С1. Какая из связей характеризуется наибольшей степенью ионности?
Решение:
По данным таблицы «Относительная электроотрицательность элементов» вычисляем разность электроотрицательностей для связей:

Наибольшей разностью электроотрицательности характеризуется связь K—Cl. Таким образом, связь K—Cl характеризуется наибольшей ионностью, так как она более полярная. Диссоциация по связи K—Cl в водных растворах будет проходить легче, чем во всех других случаях, при этом образуются ионы:

KCl ⇔ K⁺  +  Cl^—   

Задача 231. 
Какой характер имеют связи в молекулах NCl₃, СS₂, JCl₅, NF₃, OF₂, ClF, СО₂? Указать для каждой из них направление смещения общей электронной пары.
Решение:
а) При соединении атома азота с тремя атомами хлора образуется молекула NCl₃, в которой каждый из трёх атомов хлора связан с атомом азота парой общих электронов (один электрон от атома хлора, другой – от атома азота). Схема молекулы NCl₃ имеет вид:

Разность электроотрицательностей связи N—C равна 0,26 ( = 3,16 – 2,9 = 0,26), т. е. имеет незначительное численное значение, значит, связь ковалентная слабополярная (<1). Так как азот более электроотрицательнее (3,16), чем хлор (2,9), то направление смещения общей электронной пары будет в сторону атома азота. Связь слабополярная, характеризуется небольшой степенью ионности.  

б) При соединении атома углерода с двумя атомами серы образуется молекула СS₂, в которой каждый из двух атомов серы связан с атомом углерода двумя парами электронов (два электрона от атома серы и два других от атома углерода). Схема строения молекулы СS₂ имеет вид: 

Атом углерода имеет на внешнем электронном слое четыре sp³-гибридных электронных облака, которые перекрываются с электронными облаками четырёх p-электронов атомов серы (по два неспаренных электрона от каждого атома серы). Так как атом углерода более электроотрицательней (2,57), чем атом серы (2,5), то направление смещения общей электронной пары будет в сторону атома углерода. Разность электроотрицательностей связи С—S равна 0,07 ( = 2,57 – 2,5 = 0,07). Связь малополярная, характеризуется ничтожно малой степенью ионности ( <1).

в) При соединении атома йода с пятью атомами хлора образуется молекула JCl₅, в которой каждый из пяти атомов хлора связан с атомом йода парой общих электронов (один электрон от атома хлора, другой – от йода). Схема строения молекулы JCl₅: 

Разность электроотрицательностей связи J—Cl равна 0,62 (= 2,9 – 2, 28 = 0,62), значит, связь ковалентная полярная, в которой наблюдается смещение электронной пары в сторону более электроотрицательного атома хлора. Связь слабополярная, характеризуется небольшой степенью ионности
(<1).  

г) При соединении атома азота с тремя атомами фтора образуется молекула NF₃, в которой каждый из трёх атомов фтора связан с атомом азота парой общих электронов (один электрон от атома фтора, другой – от азота). Электронная схема строения молекулы NF₃:

 Разность электроотрицательностей связи N—F равна 1,04 (= 4,2 – 3,16 = 1,04). Связь N—F сильно полярна, т.е. характеризуется большой степенью ионности ( >1). Смещение электронной пары связи N—F будет в сторону более электроотрицательного атома – фтору.

д) При соединении атома кислорода с двумя атомами фтора образуется молекула OF₂, в которой каждый из атомов фтора соединён с атомом кислорода парой общих электронов (один от атома фтора, другой – от кислорода). Электронная схема строения молекулы OF₂:

Разность электроотрицательностей связи F—O равна 0,6 (= 4,2 – 3,6 = 0,6), т. е. является ковалентной слабополярной, так как  меньше единицы. Смещение электронной пары связи F—O будет в сторону более электроотрицательного атома – фтору.

е) При соединении атома фтора с атомом хлора образуется молекула ClF, в которой атом фтора соединён с атомом хлора электронной парой за счёт одного электрона от атома фтора, другого – от атома хлора. Электронная схема строения молекулы ClF:

Разность электроотрицательностей связи F—Cl равна 1,3 (= 4,2 – 2,9 = 1,3), т. е. имеет большое численное значение, что указывает на большую степень ионности. Связь сильнополярная. Смещение электронной пары связи F—Cl будет в сторону более электроотрицательного атома – фтору.

ж) При соединении атома углерода с двумя атомами кислорода образуется молекула СО₂, в которой каждый из двух атомов кислорода связан с атомом углерода двумя парами электронов (два электрона от атома кислорода, другие два – от углерода). Электронная схема строения молекулы СО₂: 

Разность электроотрицательностей связи С—О равна 0,5 = 3,6 – 2,9 = 0,5), т. е. имеет небольшое численное значение, что указывает на слабую степень ионности. Связь слабополярная. Смещение электронной пары связи С—О будет в сторону более электроотрицательного атома – кислороду.