Общая химия. Теория и задачи под ред. Н. В. Коровина и Н. В. Кулешова (1154110), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В этих случаях возрастает энергия кристаллов, температура плавления ипрочность металлов (см. табл. 2.9).В атомных кристаллах наряду с ковалентной связьюмогут существовать вандерваальсовы силы, например у одной из аллотропных модификаций углерода — графита.При образовании кристаллов графита у углерода происходит sp2гибридизация с образованием двумерных (плоских)структур, у которых валентные углы связей равны 120°(рис. 2.28). Длина связи С–С в плоскости равна 0,142 нм.Четвертый валентный электрон (pэлектрон) каждогоатома вступает в pсвязь с соседними атомами. Эти электроны pсвязей очень подвижны и обеспечивают электроннуюпроводимость. Между плоскими слоями графита возникаетслабое вандерваальсово взаимодействие, длина связи С–Смежду атомами соседних слоевсоставляет 0,335 нм (рис.
2.28).Прочные ковалентные связи обеспечивают графиту высокую температуру плавленияи химическую стойкость. НаРис. 2.28личие подвижных электроновКристаллическая структураpсвязей определяет электриграфитаГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ103ческую проводимость и теплопроводность графита. Так,электронная проводимость монокристалла в направлении,параллельном плоскости sp2(гибридизации, составляет2,6×106 См×м–1. Из(за слабых вандерваальсовых сил (энер(гия связи равна 17 кДж/моль) между слоями графит оченьмягок, легко расслаивается, что позволяет использоватьего как смазку и наполнитель стержней карандашей.Вследствие большого расстояния и низкой энергии свя(зи между плоскостями графита могут внедряться атомыдругих элементов, например фтор или щелочные метал(лы, ионы или молекулы, например ICl, FeCl3.
В результа(те получаются соединения графита, например С6Li, C8K,CFx, СxIСly.Такие соединения называются интеркалятами, илислоистыми соединениями. Процесс вхождения молекул,ионов или атомов в решетку называется интеркалированием:С + xF = CFx.Интеркалирование характерно не только для графи(та, но и для многих других простых веществ и соедине(ний, например TiS2, V2О5, MnО2.При включении атомов, ионов или молекул в графитизменяются межплоскостные расстояния кристалла гра(фита и его свойства. Например, электрическая проводи(мость некоторых интеркалятов графита приближается кпроводимости металлов. Интеркаляты уже находят при(менение, например интеркаляты фтора и лития в графитиспользуются в качестве электродов новых энергоемкиххимических источников тока.Слоистые соединения являются разновидностью осо(бого класса соединений, называемых клатратами, или со(единениями включения, которые образованы включени(ем молекул («гостей») в нанополости кристаллическогокаркаса, состоящего из частиц другого вида («хозяев»).Кроме слоистых соединений (интеркалятов), к клатратамотносятся газовые гидраты, клатраты мочевины и др.В газовых гидратах в полостях кристаллов льда могутнаходиться молекулы, размеры которых лежат в преде(лах 0,38–0,92 нм (N2, O2, С2Н4, СO2, Cl2, Ar, Хе, H2S, СН4,104ОБЩАЯ ХИМИЯ.
ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИBr2 и др.). Например, известны клатраты примерного состава СН4×6Н2О, в которых на 46 молекул воды приходится 8 полостей, занятых молекулами метана.Клатраты существуют в природе. Например, российские ученые (А. А. Трофимук и др.) открыли, что на значительной глубине в земле в районах вечной мерзлоты существуют твердые клатраты метана. Это источник ценного сырья, с другой стороны, это пополнение парниковыхгазов за счет метана при таянии клатратов.
Оценки показывают, что запасы углеводородного сырья в газовых гидратах соизмеримы с запасами топлива в литосфере. Клатраты используются для разделения газов, особенно благородных, опреснения морской воды. При подаче пропанапод давлением образуются твердые газовые клатраты, после их отделения и нагревания получают чистую воду ипропан, который снова используется в процессе.
Процессопреснения можно выразить с помощью следующих уравнений:1234567 8296 1 ⋅ 1 6442 ⋅ 11 1 В то же время образование газовых гидратов доставляет большие неприятности работникам нефтяной и газовой промышленности, поскольку они могут забивать трубопроводы и аппаратуру.Таким образом, твердые вещества могут находитьсяв аморфном и кристаллическом состояниях. Носителемсвойств твердых тел является фаза. Существуют 14 типовкристаллических решеток.
Свойства кристаллическихсистем прежде всего определяются типом химических связей и взаимодействием частиц. В большинстве случаев вкристаллах существует несколько видов связи между частицами. Имеются сложные кристаллические вещества,например соединения включения (клатраты), в том числеинтеркаляты, которые находят все более широкое применение.ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ105ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧЗадача 2.1. Определите максимальную валентностькислорода и фтора.Р е ш е н и е.
Кислород и фтор во всех соединениях проявляют постоянную валентность, равную двум для кислорода и единице для фтора. Валентные электроны этих элементов находятся на втором энергетическом уровне, гденет свободных орбиталей и, следовательно, атомы не имеют возбужденного состояния:Задача 2.2. Определите валентность хлора.Р е ш е н и е. Хлор проявляет переменную валентность1, 3, 5, 7, так как на 3м энергетическом уровне имеютсясвободные dорбитали, куда могут расспариваться спаренные 3s и 3pэлектроныЗадача 2.3. Определите возможные валентности атома железа.Р е ш е н и е.
Отсутствие неспаренных электронов у атома железа на внешнем 4м энергетическом уровне, определяет его валентность в основном состоянии, равнуюнулю, несмотря на то что на предвнешнем 3dподуровнеимеются неспаренные электроны. Последние не могут образовывать электронные пары с электронами других атомов, так как закрыты электронами внешней оболочки.В возбужденном состоянии происходит распаривание4sпары электронов и валентность может быть 2, 3, 4, 5 и 6.106ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИЗадача 2.4. Распределите приведенные ниже молекулыв порядке возрастания полярности связи S2, MgO, HF, CO.Р е ш е н и е.
Мерой полярности связи является разница в значениях электроотрицательности ЭО атомов, образующих связь:DЭОS–S = 0; DЭОMg–O = 3,5 – 1,2 = 2,3;DЭОH–F = 4 – 2,1 = 1,9; DЭОС–О = 3,5 – 2,5 = 1.Следовательно, молекулы будут распределяться в порядке возрастания полярности связи следующим образом:S2, CO, HF, MgO.Задача 2.5. Определите пространственную структурумолекулы Н2S. Почему валентный угол больше 90°?Р е ш е н и е. Ковалентные связи в молекуле Н2S образуются перекрыванием двух рорбиталей атома серы с двумя sорбиталями двух атомов водорода.Вследствие пространственной ориентации рорбиталейатома серы молекула Н2S имеет угловую структуру.
Иззанезначительного размера атома серы (по сравнению с аналогами селеном и теллуром) области повышенной электронной плотности сильнее отталкиваются и угол увеличивается.Задача 2.6. Определите вид гибридизации электронныхоблаков и пространственную структуру молекулы SiCl4.Р е ш е н и е. В возбужденном состоянии структура внешнего энергетического уровня атома кремния следующая:В образовании химических связей в атоме кремнияучаствуют электроны третьего внешнего энергетическогоуровня: один электрон в s и три электрона в рсостоянии.ГЛАВА 2.
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ107При образовании молекулы SiCl4 возникают четыре гибридных электронных облака (sр3гибридизация), расположенных в пространстве тетраэдрически.Задача 2.7. Одинаковая ли полярность молекул SbН3и ВН3?Р е ш е н и е. Для оценки полярности молекулы используют величину электрического момента диполя молекулыmм, равную векторной (геометрической) сумме электрических моментов диполей всех связей mсв (и неподеленныхэлектронных пар).
У неполярных молекул эта сумма равнанулю (mм = 0), у полярных — больше нуля (mм > 0).Связи в молекуле SbН3 образуются перекрываниемтрех рорбиталей атома сурьмы (5s25p3) с тремя sорбиталями трех атомов водорода (1s1). Поскольку 3роблака ориентированы в трех взаимно перпендикулярных направлениях (по осям х, у, z), то связи в образовавшейся молекуле SbН3 направлены от вершины тригональной пирамиды,в которой находится атом сурьмы, к ее основанию, в вершинах которого находятся атомы водорода. Отсюда молекула SbН3 имеет пирамидальную структуру.Сложение векторов моментов диполей всех связей вмолекуле SbН3 приводит к тому, что дипольный моментмолекулы не равен нулю mм ¹ 0 и, следовательно, молекула в целом полярна.108ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИКовалентные полярные связи в молекуле ВН3 образуются перекрыванием трех гибридных орбиталей атомабора (2s12p2) с sорбиталями трех атомов водорода.
Гибридные связи направлены под углом 120°. Ядра всех взаимодействующих атомов лежат в одной плоскости. Молекула имеет структуру плоского треугольника. Векторнаясумма электрических моментов диполей связей в молекуле равна нулю 3 BH 4 0 , следовательно, молекула ВН33неполярна.Задача 2.8. Вычислите дипольный момент молекулыНI, если длина диполя равна 0,09×10–10 м.Р е ш е н и е. Дипольный момент молекулы равен произведению длины диполя l на величину элементарногоэлектрического заряда q = 1,602×10–19 Кл:m = 1,602×10–19 × 0,09×10–10 = 1,44×10–30 Кл×м = 0,43D(1D = 3,33×10–30 Кл×м).Задача 2.9. Какая из молекул В2 или С2 характеризуется более высокой энергией диссоциации на атомы? Сопоставьте магнитные свойства этих молекул.Р е ш е н и е. Молекула В2 образуется в результате взаимодействия двух атомов бора (В) в соответствии с уравнениемB(...2s2 2 p1 ) 2 B(...2s2 2 p1 ) 3 B2 [(42s )2 (412s )2 (52 pz )1 ].Энергетическая диаграмма образования молекулы В2следующая:12ГЛАВА 2.
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ109На связывающих орбиталях размещены 4 электрона,на разрыхляющих — 2, следовательно, порядок связи вмолекуле В2 равен (4 – 2)/2 = 1.Молекула С2 образуется в результате взаимодействиядвух атомов С в соответствии с уравнениемC(...2s2 2 p2 ) 2 C(...2s2 2 p2 ) 3 C2 [(42s )2 (421 s )2 (52 py )2 (521 pz )2 ].Энергетическая диаграмма образования молекулы С2следующая:На связывающих орбиталях размещены 6 электронов,на разрыхляющих — 2, следовательно, порядок связи вмолекуле С2 равен (6 – 2)/2 = 2.Таким образом, молекула С2, характеризующаяся более высоким порядком связи между атомами, должна бытьболее прочной.
Этот вывод соответствует экспериментально установленным значениям энергии диссоциации на атомы молекул В2 (276 кДж/моль) и С2 (605 кДж/моль).В молекуле В2 два электрона расположены согласноправилу Хунда на двух p2рорбиталях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
