Описание с позиций метода валенттных связей (ВС) электронное строение молекул и ионов

Задача 236. 

Описать с позиций метода ВС электронное строение молекулы BF₃ и иона  BF₄^—. 

Решение:

Электронная конфигурация валентного слоя атома бора 1s²2s²2p¹. Электронное строение его валентного слоя в стационарном состоянии может быть представлено следующей графической схемой:

При возбуждении атом бора переходит в состояние 1s²2s¹2p², а электронное строение его валентного слоя соответствует схеме:

Три неспаренных электрона возбуждённого атома могут участвовать в образовании трёх ковалентных связей по обычному механизму с атомами фтора (1s²2s²2р⁵), имеющими по одному неспаренному электрону, с образованием молекулы  BF₃.

Для образования иона BF₄^—  должен присоединиться один ион  (1s²2s²2р⁶), все валентные электроны которого спарены. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счёт пары электронов из фторид-иона   и одной валентной p-орбитали атома бора.  

Задача 237. 
Сравнить способы образования ковалентных связей в молекулах  CH₄, NH₃  и в ионе  NH₄⁺. Могут ли существовать ионы CH₅⁺  и  NH₄²⁺? 
Решение:
Электронная конфигурация атома углерода 1s²2s²2р². Электронное строение его валентных орбиталей в стационарном состоянии может быть представлено следующей схемой:

При возбуждении атом углерода переходит в состояние 1s²2s¹2р³, а электронное строение его валентных орбиталей соответствует схеме:

Четыре неспаренных электрона возбуждённого атома углерода могут участвовать в образовании четырёх ковалентных связей по обычному механизму с атомами водорода (1s¹), имеющими по одному неспаренному, с образованием молекулы  CH₄.

Электронная конфигурация атома азота 1s²2s²2р³. Электронное строение его валентных орбиталей в стационарном состоянии может быть представлено следующей схемой:

Три неспаренных электрона невозбуждённого атома азота могут участвовать в образовании трёх ковалентных связей по обычному механизму с атомами водорода (1s¹), имеющими по одному неспаренному электрону, с образованием молекулы  NH₃.

Для образования иона NH₄⁺  к молекуле NH₃  должен присоединиться один ион H⁺ (1s⁰), имеющим одну свободную s-орбиталь. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счёт пары электронов атома азота и одной вакантной s-орбитали атома водорода.

Углерод (1s²2s²2р²) может образовать соединение  CH₄, но при этом валентные возможности углерода будут исчерпаны (нет неспаренных электронов, неподелённых пар электронов и валентных орбиталей на валентном энергетическом уровне), ион CH₅⁺ образоваться не может.

Азот (1s²2s²2р³) может образовать соединение  NH₃ (за счёт трёх неспаренных 2р-электронов) и ион NH₄⁺  (за счёт донорно-акцепторного механизма между молекулой NH₃  и ионом  H⁺⁾, но при этом валентные возможности азота будут исчерпаны (нет неподелённых пар электронов, свободных валентных орбиталей и неспаренных электронов на валентном уровне), ион NH₅²⁺  образоваться не может.  

Задача 238. 
Какой атом или ион служит донором электронной пары при образовании иона  BH₄^—?
Решение:
Электронная конфигурация атома бора 1s²2s²2р¹. Электронное строение его валентного слоя в стационарном состоянии может быть представлено следующей графической схемой:

При возбуждении атом бора переходит в состояние 1s²2s¹2p², а электронное строение его валентного слоя соответствует схеме:

Три неспаренных электрона возбуждённого атома бора могут участвовать в образовании трёх ковалентных связей по обычному механизму с атомами водорода (1s¹), имеющими по одному неспаренному электрону, с образованием молекулы  BH₃.

Для образования иона BH₄^—  к молекуле BH₃  должен присоединиться ион H^—  (1s²), имеющий на валентном уровне свободную пару электронов. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счёт пары электронов иона   и свободной (вакантной) 2р-орбитали.

Задача 239. 
Объяснить с позиций метода ВС способность оксидов NО и NО₂ образовывать димерные молекулы.
Решение:
На внешнем электронном слое атома азота содержится два спаренных 2s-электрона и три неспаренных 2р-электрона (2s²2р³). Атом кислорода на внешнем слое содержит пару 2s-электронов и четыре 2р-электрона, из которых два неспаренных (2s²2р⁴).

а) В молекуле NO связь осуществляется по обычному ковалентному механизму за счёт двух неспаренных электронов атома азота и двух неспаренных электронов атома кислорода, с образованием двух ковалентных связей в молекуле. Электронная схема молекулы NO имеет вид:

Таким образом, в молекуле NO атом азота содержит один неспаренный 2р-электрон. Поэтому между двумя молекулами N₂О₂ может образоваться ковалентная связь по обычному механизму. Валентная схема молекулы N₂О₂ имеет вид:

В димере N₂О₂ атомы азота и имеют восьмиэлектронную устойчивую конфигурацию. Структурная формула имеет вид:

б) В молекуле NO₂ атом азота соединён двумя ковалентными связями с одним атомом кислорода, находящимся в невозбуждённом состоянии, связь образуется за счёт двух неспаренных электронов атома азота и двух неспаренных электронов атома кислорода. Второй атом кислорода соединяется с атомом азота по донорно-акцепторному механизму за счёт пары электронов атома азота и свободной валентной 2р-орбитали атома кислорода. Молекула NO₂ содержит один неспаренный электрон у атома азота.

Валентная схема молекулы NO₂ имеет вид:

Две молекулы NO₂ могут соединиться друг с другом, образовав димер N₂O₄. Связь между двумя молекулами NO₂ образуется по обычному ковалентному механизму за счёт неспаренных электронов атомов азота. Валентная схема димера N₂O₄ имеет вид:

Структурная формула димера N₂O₂ имеет вид:

Задача 240. 
Объяснить с позиций метода ВС возможность образования молекулы С₂N₂.
Решение:
Электронная конфигурация атома углерода 1s²2s²2р^2. Электронное строение его валентных орбиталей в стационарном состоянии может быть представлено следующей схемой: 

При возбуждении атом углерода переходит в состояние 1s²2s¹2р³, а электронное строение его валентных орбиталей соответствует схеме:   

Электронная конфигурация атома азота 1s²2s²2р³. Электронное строение его валентных орбиталей в стационарном состоянии может быть представлено следующей схемой:  

Для образования молекулы C₂N₂ к каждому атому углерода присоединяется по одному атому азота. Связи между атомами углерода и азота  образуются за счёт трёх неспаренных электронов углерода и трёх неспаренных электронов азота. Оставшийся неспаренный электрон одного атома углерода образует ковалентную связь по обычному механизму с неспаренным электроном другого атома углерода. Таким образом, в молекуле C₂N₂ два атома углерода образуют ковалентную связь между собой и по три ковалентные связи с атомом азота по обычному механизму.  Валентная схема молекулы C₂N₂ будет иметь вид:

Структурная формула С₂N₂ имеет вид:

Таким образом, молекула C₂N₂ реально существует.