4.7: Прогнозування формул ковалентно зв'язаних сполук

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18699

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Часто можна передбачити формули молекул за допомогою символів Льюїса елементів в з'єднанні з правилом октета для хімічного зв'язку. Це показано на малюнку 4.8 для водневих сполук декількох елементів у другому періоді таблиці Менделєєва.

Прогнозування хімічних зв'язків у сполуках, в яких H пов'язаний з іншим атомом, дуже просте, оскільки кожен атом Н повинен брати участь у спільному використанні двох електронів, а інший вид атома, як правило, повинен мати загалом 8 електронів у своєму октеті валентної оболонки; вони можуть бути розділені в зв'язках або присутні як нерозділені пар. Як приклад розглянемо добре відоме з'єднання вуглецю, вуглекислого газу, хімічну формулу СО ₂. Символ Льюїса C та два атоми O можуть бути використані для виведення формули Льюїса CO ₂, як показано на малюнку 4.9.

Як ще один приклад застосування правила октета розглянемо перекис водню, Н ₂ О ₂. Формула цієї сполуки дуже схожа на формулу води, але вона сильно відрізняється від води. Перекис водню розкладається з виділенням кисню:

\[\ce{2H2O2 (liquid) \rightarrow O2(gas) + 2H2O(liquid)}\]

Як рідина у вигляді концентрованого водного розчину пероксид водню забезпечує джерело кисню настільки потужним, що її використовували в ракетах. Це був підступний окислювач, який використовувався разом з гідразином (N ₂ H ₄) паливом в німецькому ракетному літаку Люфтваффе Messerschmidt 163 наприкінці Другої світової війни. Закінчивши вихлоп летального газу NO ₂, ця мізерна пілотована ракета (в рідкісних випадках, коли вона працювала за планом) швидко просувалася в нижню стратосферу, а потім ковзала вниз через хвилі бомбардувальників союзників, намагаючись забити їх кулеметним вогнем, коли він впав назад до Земля. Мало бомбардувальників було пошкоджено, але багато пілотів Me-163 загинули в спробі, деякі в результаті вибухів, пожеж і розливів перекису водню окислювача. Перекис водню, розкладений над каталізатором, також використовувався як джерело кисню для дизельних двигунів на кількох німецьких підводних човнів ближче до кінця Другої світової війни. До датування атомних підводних човнів, ці потенційно смертоносні кораблі були першими справжніми підводними човнами.

Малюнок 4.8. Освіта ковалентних водневих сполук з елементами у другому ряду таблиці Менделєєва. Всі валентні електрони вуглецю беруть участь в зв'язках в СН ₄, NH ₃ має 1 нерозділену пару валентних електронів, H ₂ O має 2 нерозділені пари валентних електронів, а HF має 3 нерозділені пари валентних електронів. Нерозділені пари електронів не показані в структурах, в яких зв'язки представлені прямими лініями.

Малюнок 4.9. Зв'язування двох атомів кисню з центральним атомом вуглецю для отримання вуглекислого газу, CO ₂. Для того, щоб забезпечити октет електронів навколо кожного з трьох атомів із загальною кількістю лише 16 валентних електронів, необхідно мати подвійні зв'язки між C та кожним із атомів O.

При складанні структури молекули пероксиду водню потрібно просто працювати з двома атомами O, кожен з яких вносить 6 валентних електронів і двома атомами H кожен з 1 валентним електроном. Формула Льюїса молекули H ₂ _{O 2} дорівнює

показуючи, що всі 14 загальних валентних електронів беруть участь у хімічних зв'язках, і обидва кисню мають октети електронів зовнішньої оболонки.

Незважаючи на злий характер концентрованих розчинів перекису водню, його можна розглядати як зелене з'єднання в більш розведених розчинях, таких як 3% перекис водню, який зазвичай використовується для знищення бактерій при лікуванні ран. Серед зелених застосувань, розбавлений перекис водню робить ефективний і безпечний відбілюючий агент, який набагато безпечніше в обробці, ніж елементарний хлор, який зазвичай використовується для відбілювання, і який не виробляє потенційно токсичних побічних продуктів, які утворює хлор. І навіть незважаючи на те, що він вбиває бактерії, перекис водню можна перекачувати під землю, щоб служити окислювачем для акліматизованих бактерій, які атакують відходи, які були поміщені або просочені в підземні місця.

Молекули, які не підкоряються правилу октету

У деяких випадках правило октету не підкоряється. Це відбувається, коли молекула має нерівномірну кількість електронів, так що неможливо для кожного атома мати октет (парну кількість) електронів. Простим прикладом цього є оксид азоту, NO, виготовлений з атома N з 5 валентними електронами і одного з O з 6 валентними електронами. Отримана молекула показана на малюнку 4.10. Оскільки нерівномірне число 11 валентних електронів не може забезпечити повні октети електронів навколо обох атомів N і O одночасно, молекула NO показана у двох формах, в яких один атом має 8 валентних електронів, а інший - 7. Вони відомі як резонансні структури.

Малюнок 4.10. Формування НІ. Нерівномірна кількість електронів не може вмістити повні октети навколо обох атомів одночасно, тому структура є гібридною резонансною структурою двох показаних форм.

Нерівний розподіл електронів

Формула Льюїса для води,

вказує на те, що молекула не симетрична і два атоми Н розташовані з одного боку молекули, а атом O - на іншій стороні. Можна подумати, що електрони, що поділяються між Hand O, поділяються порівну. Але це не так, оскільки відносно велике ядро атома O з його 8 протонами має більш сильне тяжіння для електронів, ніж два ядра атома Н, кожне з яких має лише 1 протон. Таким чином, спільні електрони проводять відносно більше часу навколо атома O і менше навколо атомів H. Це дає кожному атому Н частковий позитивний заряд, а атому O - частковий негативний заряд. Нерівний розподіл заряду, подібний до того, що робить тіло полярним, а O-H зв'язки - полярними ковалентними зв'язками. Через це явище вся молекула води полярна і може бути представлена наступним чином, де малі сфери означають атоми Н, а великі - для атома O:

Полярна природа молекули води має багато спільного з водою як розчинником і тим, як вона поводиться в навколишньому середовищі та в живих системах. Ці аспекти більш детально розглянуті в главі 8.

Коли лише один атом сприяє ковалентному зв'язку

У деяких випадках лише один з двох атомів, з'єднаних ковалентним зв'язком, вносить обидва електрони в зв'язку. Це відбувається з аміаком, NH ₃, розчиненим у воді. Вода містить розчинені Н ⁺ катіони, і чим більше кисла вода, тим вище концентрація Н ⁺. Катіон Н ⁺ буде стабілізований двома електронами, які він може отримати шляхом зв'язування з розчиненим NH ₃, як показано в Реакція 4.7.2. Обидва електрони, поділені між N і катіоном H ⁺, тепер пов'язані з ним як частина нового виду, іон амонію, NH ₄ ⁺, були внесені атомом N. Така ковалентна зв'язок називається координатної ковалентної зв'язком або давальним зв'язком. У випадку з NH ₄ ⁺, як тільки утворюється координатна ковалентна N-H зв'язок, вона не відрізняється від усіх інших N-H зв'язків.

Формування координатно-ковалентного зв'язку в NH ₄ ⁺ дуже корисно при удобренні грунту азотом. Найбільш економічним способом внесення азотних добрив є введення NH ₃ в грунт, але NH ₃ - це газ, який, як очікується, швидко випаровується з ґрунту. Натомість він приєднується до іона Н ⁺ з води в грунті і зв'язується з грунтом як іон NH ₄ ⁺.

Ще один важливий приклад координатної ковалентної зв'язку відбувається у воді. Як обговорювалося в розділі 4.9, кислоти, які є дуже важливими матеріалами, зазвичай розчиненими у воді, виробляють іон водню H ⁺ у воді. Цей іон не існує, просто диспергований у воді. Натомість він міцно зв'язується з молекулою води, утворюючи іон гідронію, H ₃ O ⁺: