Глава 5. Упражнения

5.1 Метод валентных связей

1. Объясните, чем \(\sigma\)- и \(\pi\)-связи похожи и чем различаются.

2. Опираясь на метод валентных связей, объясните характер связей в \(\ce{F2}\), \(\ce{HF}\) и \(\ce{ClBr}\). Изобразите перекрывание атомных орбиталей, участвующих в этих связях.

3. Опираясь на метод валентных связей, объясните характер связей в \(\ce{O2}\). Изобразите перекрывание атомных орбиталей, участвующих в связях в \(\ce{O2}\).

4. Сколько \(\sigma\)- и \(\pi\)-связей в молекуле \(\ce{HCN}\)?

5. Приятель утверждает, что в \(\ce{N2}\) имеются три \(\pi\)-связи, образованные перекрыванием трёх \(p\)-орбиталей каждого атома \(\ce{N}\). Согласны ли вы с этим?

6. Запишите структуры Льюиса для \(\ce{CO2}\) и \(\ce{CO}\) и предскажите число \(\sigma\)- и \(\pi\)-связей в каждой молекуле. (a) \(\ce{CO2}\); (b) \(\ce{CO}\).

5.2 Гибридные атомные орбитали

1. Почему в методе валентных связей необходимо понятие гибридизации?

2. Назовите форму расположения, отвечающую каждому набору гибридных орбиталей: (a) \(sp^2\); (b) \(sp^3d\); © \(sp\); (d) \(sp^3d^2\).

3. Объясните, почему атом углерода не может образовать пять связей, используя \(sp^3d\)-гибридные орбитали.

4. Каков тип гибридизации центрального атома в каждой из следующих частиц? (a) \(\ce{BeH2}\); (b) \(\ce{SF6}\); © ; (d) \(\ce{PCl5}\).

5. Молекула с формулой \(\ce{AB3}\) может иметь одну из четырёх различных форм. Укажите форму и тип гибридизации центрального атома \(\ce{A}\) для каждой из них.

6. Метионин, \(\ce{CH3SCH2CH2CH(NH2)CO2H}\), — одна из аминокислот, входящих в состав белков. Ниже приведена структура Льюиса этого соединения. Каков тип гибридизации каждого атома углерода, кислорода, атома азота и атома серы?

7. Серную кислоту получают серией реакций, представленных следующими уравнениями:

   Запишите структуру Льюиса, предскажите геометрию молекулы по ОЭПВО и определите тип гибридизации серы для следующих частиц: (a) циклическая молекула \(\ce{S8}\); (b) молекула \(\ce{SO2}\); © молекула \(\ce{SO3}\); (d) молекула \(\ce{H2SO4}\) (атомы водорода связаны с атомами кислорода).

8. Два важных промышленных продукта — этилен (этен), \(\ce{C2H4}\), и пропилен (пропен), \(\ce{C3H6}\), — получают в процессе паротермического (термического) крекинга:

   Для каждого из четырёх углеродсодержащих соединений выполните следующее: (a) запишите структуру Льюиса; (b) предскажите геометрию вокруг атома углерода; © определите тип гибридизации каждого типа атома углерода.

9. Анализ соединения показывает, что в нём содержится \(77{,}55\,\%\) \(\ce{Xe}\) и \(22{,}45\,\%\) \(\ce{F}\) по массе. (a) Какова простейшая формула этого соединения? (При ответе на остальные пункты упражнения считайте, что это и молекулярная формула.) (b) Запишите структуру Льюиса этого соединения. © Предскажите форму молекул соединения. (d) Какой тип гибридизации согласуется с предсказанной вами формой?

10. Рассмотрите азотистую кислоту, \(\ce{HNO2}\) (\(\ce{HONO}\)). (a) Запишите её структуру Льюиса. (b) Какова геометрия электронных пар и молекулярное строение внутренних атомов кислорода и азота в молекуле \(\ce{HNO2}\)? © Каков тип гибридизации внутренних атомов кислорода и азота в \(\ce{HNO2}\)?

11. Спички, зажигающиеся при трении о любую поверхность, содержат слой \(\ce{KClO3}\) и слой \(\ce{P4S3}\). Теплота, выделяющаяся при чирканьи спички, вызывает бурную реакцию этих двух соединений, поджигающую деревянную часть спички. \(\ce{KClO3}\) содержит хлорат-ион \(\ce{ClO3-}\). \(\ce{P4S3}\) — необычная молекула со следующей скелетной структурой.

    (a) Запишите структуры Льюиса для \(\ce{P4S3}\) и иона \(\ce{ClO3-}\). (b) Опишите геометрию вокруг атомов \(\ce{P}\), атома \(\ce{S}\) и атома \(\ce{Cl}\) в этих частицах. © Укажите тип гибридизации атомов \(\ce{P}\), атома \(\ce{S}\) и атома \(\ce{Cl}\) в этих частицах. (d) Определите степени окисления и формальные заряды атомов в \(\ce{P4S3}\) и в ионе \(\ce{ClO3-}\).

12. Определите тип гибридизации каждого атома углерода в следующей молекуле. (Расположение атомов задано; вам нужно определить, сколько связей соединяет каждую пару атомов.)

13. Запишите структуры Льюиса для \(\ce{NF3}\) и \(\ce{PF5}\). Опираясь на представления о гибридных орбиталях, объясните, почему \(\ce{NF3}\), \(\ce{PF3}\) и \(\ce{PF5}\) существуют как устойчивые молекулы, а \(\ce{NF5}\) — нет.

14. Помимо \(\ce{NF3}\), известны ещё два фторпроизводных азота: \(\ce{N2F4}\) и \(\ce{N2F2}\). Какие формы вы предскажете для этих двух молекул? Какова гибридизация азота в каждой из них?

5.3 Кратные связи

1. Энергия одинарной связи \(\ce{C-C}\) в среднем равна \(347\ \text{кДж/моль}\), а тройной связи \(\ce{C#C}\) — в среднем \(839\ \text{кДж/моль}\). Объясните, почему тройная связь не является в три раза более прочной, чем одинарная.

2. Для карбонат-иона \(\ce{CO3^{2-}}\) нарисуйте все резонансные структуры. Укажите, перекрывание каких орбиталей образует каждую связь.

3. Полезный растворитель, способный растворять как соли, так и органические соединения, — это ацетонитрил, \(\ce{H3CCN}\). Он входит в состав смывок для краски. (a) Запишите структуру Льюиса ацетонитрила и укажите направление дипольного момента молекулы. (b) Укажите гибридные орбитали, которые используют атомы углерода в молекуле для образования \(\sigma\)-связей. © Опишите атомные орбитали, образующие \(\pi\)-связи в молекуле. Учтите, что атом азота можно не гибридизовать.

4. Для молекулы аллена, \(\ce{H2CCCH2}\), укажите тип гибридизации каждого атома углерода. В одной ли плоскости расположены атомы водорода или же в перпендикулярных плоскостях?

5. Определите тип гибридизации центрального атома в каждой из следующих молекул и ионов, содержащих кратные связи: (a) \(\ce{ClNO}\) (\(\ce{N}\) — центральный атом); (b) \(\ce{CS2}\); © \(\ce{Cl2CO}\) (\(\ce{C}\) — центральный атом); (d) \(\ce{Cl2SO}\) (\(\ce{S}\) — центральный атом); (e) \(\ce{SO2F2}\) (\(\ce{S}\) — центральный атом); (f) \(\ce{XeO2F2}\) (\(\ce{Xe}\) — центральный атом); (g) (\(\ce{Cl}\) — центральный атом).

6. Опишите геометрию молекулы и гибридизацию атомов \(\ce{N}\), \(\ce{P}\) или \(\ce{S}\) в каждом из следующих соединений: (a) \(\ce{H3PO4}\) — фосфорная кислота, входит в состав кока-колы; (b) \(\ce{NH4NO3}\) — нитрат аммония, удобрение и взрывчатое вещество; © \(\ce{S2Cl2}\) — дихлорид дисеры, используется для вулканизации каучука; (d) \(\ce{K4[O3POPO3]}\) — пирофосфат калия, ингредиент некоторых зубных паст.

7. Для каждой из следующих молекул укажите запрошенный тип гибридизации и выясните, делокализованы ли электроны: (a) озон (\(\ce{O3}\)): гибридизация центрального атома \(\ce{O}\); (b) диоксид углерода (\(\ce{CO2}\)): гибридизация центрального атома \(\ce{C}\); © диоксид азота (\(\ce{NO2}\)): гибридизация центрального атома \(\ce{N}\); (d) фосфат-ион \(\ce{PO4^{3-}}\): гибридизация центрального атома \(\ce{P}\).

8. Для каждой из следующих структур укажите запрошенный тип гибридизации и выясните, делокализованы ли электроны: (a) гибридизация каждого атома углерода; (b) гибридизация серы; © гибридизация всех атомов.

9. Нарисуйте электронно-графическую схему углерода в \(\ce{CO2}\), показывая, сколько электронов атома углерода находится на каждой орбитали.

5.4 Метод молекулярных орбиталей

1. Изобразите распределение электронной плотности в связывающей и разрыхляющей молекулярных орбиталях, образованных из двух \(s\)-орбиталей и из двух \(p\)-орбиталей.

2. Чем сходны и чем различаются: (a) \(\sigma\)-молекулярные орбитали и \(\pi\)-молекулярные орбитали; (b) \(\psi\) для атомной орбитали и \(\psi\) для молекулярной орбитали; © связывающие и разрыхляющие орбитали?

3. Если молекулярные орбитали образованы комбинированием пяти атомных орбиталей атома \(\ce{A}\) и пяти атомных орбиталей атома \(\ce{B}\), сколько молекулярных орбиталей получится?

4. Может ли молекула с нечётным числом электронов быть диамагнитной? Объясните, почему да или нет.

5. Может ли молекула с чётным числом электронов быть парамагнитной? Объясните, почему да или нет.

6. Почему связывающие молекулярные орбитали имеют меньшую энергию, чем породившие их атомные орбитали?

7. Рассчитайте порядок связи для иона со следующей конфигурацией:

8. Объясните, почему электрон на связывающей молекулярной орбитали в молекуле \(\ce{H2}\) имеет меньшую энергию, чем электрон на \(1s\)-атомной орбитали любого из изолированных атомов водорода.

9. Предскажите валентные молекулярно-орбитальные конфигурации для следующих частиц и укажите, будут ли эти ионы устойчивыми или неустойчивыми.

   (a) ; (b) ; © ; (d) ; (e) ; (f) ; (g) ; (h) .

10. Определите порядок связи каждой частицы в следующих группах и укажите, у какой частицы метод молекулярных орбиталей предсказывает наиболее прочную связь: (a) \(\ce{H2}\), ; (b) \(\ce{O2}\), ; © \(\ce{Li2}\), \(\ce{Be2}\); (d) \(\ce{F2}\), ; (e) \(\ce{N2}\), .

11. С какой молекулярной орбитали удаляется электрон при первой ионизации молекулы \(\ce{N2}\)?

12. Сравните атомные и молекулярно-орбитальные диаграммы и определите в каждой из следующих пар частицу с наибольшей первой энергией ионизации (наиболее прочно связанным электроном) в газовой фазе: (a) \(\ce{H}\) и \(\ce{H2}\); (b) \(\ce{N}\) и \(\ce{N2}\); © \(\ce{O}\) и \(\ce{O2}\); (d) \(\ce{C}\) и \(\ce{C2}\); (e) \(\ce{B}\) и \(\ce{B2}\).

13. Какие из гомоядерных двухатомных молекул элементов второго периода предсказываются парамагнитными?

14. Приятель утверждает, что \(2s\)-орбиталь фтора имеет гораздо меньшую начальную энергию, чем \(2s\)-орбиталь лития, поэтому образующаяся \(\sigma_{2s}\) молекулярная орбиталь в \(\ce{F2}\) более устойчива, чем в \(\ce{Li2}\). Согласны ли вы с этим?

15. Верно или неверно? Бор имеет валентную конфигурацию \(2s^{2}2p^{1}\), поэтому для образования молекулярных орбиталей достаточно одной \(p\)-орбитали.

16. Какой заряд должен иметь ион \(\ce{F2}\), чтобы получить порядок связи, равный 2?

17. Предскажите, будет ли на диаграмме молекулярных орбиталей \(\ce{S2}\) проявляться \(s\)—\(p\)-смешение.

18. Объясните, почему один из перечисленных ниже ионов диамагнитен, а другой, имеющий то же число валентных электронов, — парамагнитен.

19. По диаграммам МО предскажите порядок связи у частицы с более прочной связью в каждой паре: (a) \(\ce{B2}\) или ; (b) \(\ce{F2}\) или ; © \(\ce{O2}\) или ; (d) .