8.E: Розширені теорії ковалентного зв'язку (вправи)

8.1: Теорія валентних зв'язків

Розділ Вправи

1. Поясніть, як зв'язки σ і π схожі і чим вони відрізняються.
2. Намалюйте криву, яка описує енергію системи з атомами H і Cl на різних відстанях. Потім знайдіть мінімальну енергію цієї кривої двома шляхами.
   1. Використовуйте енергію зв'язку, знайдену в таблиці 8.2.1, для обчислення енергії для однієї єдиної HCl зв'язку (Підказка: Скільки зв'язків знаходиться в молі?)
   2. Використовуйте ентальпію реакції та енергії зв'язку для\(H_2\) та для\(Cl_2\) вирішення енергії одного моля зв'язків HCl. \[H_{2(g)}+Cl_{2(g)} \rightleftharpoons 2HCl_{(g)} \;\;\; ΔH^∘_{rxn}=−184.7\; kJ/mol\]
3. Поясніть, чому зв'язки виникають на певних середніх відстанях зв'язку замість того, щоб атоми наближалися один до одного нескінченно близько.
4. Використовуйте теорію валентних зв'язків для пояснення зв'язку в F ₂, HF та ClBr. Намалюйте перекриття атомних орбіталей, що беруть участь в зв'язках.
5. Використовуйте теорію валентних зв'язків для пояснення зв'язку в O ₂. Намалюйте перекриття атомних орбіталей, що беруть участь у зв'язках в O ₂.
6. Скільки σ і π зв'язків присутній в молекулі HCN?
7. Друг каже, що N ₂ має три π зв'язки через перекриття трьох p -орбіталей на кожному атомі N. Ви згодні?
8. Намалюйте структури Льюїса для CO ₂ і CO і передбачте кількість σ і π зв'язків для кожної молекули.
   1. СО ₂
   2. КО

Рішення

1. Подібність: Обидва типи зв'язків виникають внаслідок перекриття атомних орбіталів на сусідні атоми і містять максимум два електрони. Відмінності: σ зв'язки сильніші і виникають внаслідок наскрізного перекриття, а всі поодинокі зв'язки є σ зв'язками; π зв'язки між тими ж двома атомами слабкіші, оскільки вони виникають внаслідок плічного перекриття, а множинні зв'язки містять одну або більше π зв'язків (крім зв'язку σ).

2

Коли H і Cl розділені (вісь x) енергія знаходиться на певному значенні. У міру наближення він зменшується до мінімуму в 127 вечора (відстань зв'язку), а потім різко збільшується в міру наближення.

1. (а) Н - Cl431 кДж/моль 427 кДж/моль 6,022 × 1023 Бонди × 1000 Джкж = 7,09 × 10−19
2. (b) Ми знаємо закон Гесса, пов'язаний з енергіями зв'язку: ΔH° = ΔHBDE (розбитий) −ΔHBDE (утворений) Нам дається ентальпія реакції

\[−184.7 kJ/mol=(ΔH∘BDE(H–H)+ΔH∘BDE(Cl–Cl))−(2ΔH∘BDE(H–Cl))\]

\[H–H is 436 kJ/mol and Cl–Cl is 243\]

\[–184.7 kJ/mol = (436 + 243) – 2x = 679 – 2x\]

\[2x = 863.7 kJ/mol\]

\[x = 432\; kJ/mol\]

Це дуже близько до значення з частини (а).

3. Питома середня відстань зв'язку - це відстань з найменшою енергією. На відстанях менше відстані зв'язку позитивні заряди на двох ядрах відштовхуються один одного, і загальна енергія збільшується.

4. Єдиний зв'язок, присутній у кожній молекулі, є результатом перекриття відповідних орбіталів: орбіталів F 2 p у F ₂, орбіталів H 1 s та F 2 p у HF та орбіталів Cl 3 p та орбітальних Br 4 p у ClBr.

5. Склеювання: Один σ зв'язок і один π зв'язок. Орбіталі s заповнені і не перекриваються. Орбіталі p перекриваються вздовж осі, утворюючи зв'язок σ і пліч-о-пліч утворюють π зв'язок.

6. \(\ce{H–C≡N}\)має два σ (H—C і C—N) і два π (що робить потрійний зв'язок CN).

7. Ні, дві орбіталі p (по одному на кожному N) будуть орієнтовані впритул і утворюють зв'язок σ.

" height="174" width="442" src="https://chem.libretexts.org/@api/dek...ewStru_img.jpg">

8. (а) 2 σ 2 π;

(б) 1 σ 2 π;

8.2: Гібридні атомні орбіталі

Хімія Кінець глави Вправи

Чому концепція гібридизації потрібна в теорії валентних зв'язків?

Гібридизація введена для пояснення геометрії зв'язкових орбіталей в теорії балансних зв'язків.

Надайте форму, яка описує кожен гібридний орбітальний набір:

(а) сп ²

(б) сп ³ д

(с) сп

(г) сп ³ д ²

Поясніть, чому атом вуглецю не може утворювати п'ять зв'язків, використовуючи гібридні орбіталі sp ³ d.

У валентній оболонці вуглецю немає d орбіталей.

Що таке гібридизація центрального атома в кожному з наступних?

(а) БеХ ₂

(б) СФ ₆

(c)\(\ce{PO4^3-}\)

(г) ПКл ₅

Молекула з формулою AB ₃ могла мати одну з чотирьох різних форм. Надайте форму і гібридизацію центрального атома А для кожного.

трикутна планарна, sp ²; трикутна пірамідальна (одна одиночна пара на А) sp ³; Т-подібний (дві одиночні пари на A sp ³ d, або (три одиничні пари на A) sp ³ d ²

Метіонін, CH ₃ SCH ₂ CH ₂ CH (NH ₂) CO ₂ H, є амінокислотою, що міститься в білках. Намалюйте структуру Льюїса цієї сполуки. Який тип гібридизації кожного вуглецю, кисню, азоту та сірки?

Сірчана кислота виробляється серією реакцій, представлених наступними рівняннями:

\(\ce{S8}(s)+\ce{8O2}(g)⟶\ce{8SO2}(g)\)

\(\ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g)⟶\ce{2SO3}(g)\)

\(\ce{SO3}(g)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{H2SO4}(l)\)

Draw a Lewis structure, predict the molecular geometry by VSEPR, and determine the hybridization of sulfur for the following:

(a) circular S₈ molecule

(b) SO₂ molecule

(c) SO₃ molecule

(d) H₂SO₄ molecule (the hydrogen atoms are bonded to oxygen atoms)

(a) Each S has a bent (109°) geometry, sp³

(б) Зігнутий (120°), сп ²

(c) Тригональний планарний, sp ²

(г) Тетраедричний, sp ³

Дві важливі промислові хімічні речовини, етилен, C ₂ H ₄, і пропен, C ₃ H ₆, виробляються паровим (або термічним) процесом крекінгу:

\(\ce{2C3H8}(g)⟶\ce{C2H4}(g)+\ce{C3H6}(g)+\ce{CH4}(g)+\ce{H2}(g)\)

For each of the four carbon compounds, do the following:

(a) Draw a Lewis structure.

(b) Predict the geometry about the carbon atom.

(c) Determine the hybridization of each type of carbon atom.

For many years after they were discovered, it was believed that the noble gases could not form compounds. Now we know that belief to be incorrect. A mixture of xenon and fluorine gases, confined in a quartz bulb and placed on a windowsill, is found to slowly produce a white solid. Analysis of the compound indicates that it contains 77.55% Xe and 22.45% F by mass.

(a) What is the formula of the compound?

(b) Write a Lewis structure for the compound.

(c) Predict the shape of the molecules of the compound.

(d) What hybridization is consistent with the shape you predicted?

(a) XeF₂

(b)

(c) лінійний (г) СП ³ д

Розглянемо азотну кислоту, HNO ₂ (HONO).

(а) Написати структуру Льюїса.

(b) Які електронні пари та молекулярні геометрії внутрішніх атомів кисню та азоту в молекулі HNO ₂?

(c) Що таке гібридизація внутрішніх атомів кисню та азоту в HNO ₂?

Матчі Strike-Anywhere містять шар KClO ₃ і шар P ₄ S ₃. Тепло, вироблене тертям удару про сірник, змушує ці дві сполуки енергійно реагувати, що підпалює дерев'яний стовбур сірника. KClO ₃ містить\(\ce{ClO3-}\) іон. P ₄ S ₃ - незвичайна молекула зі скелетною структурою.

(а) Написати структури Льюїса для P ₄ S ₃ і\(\ce{ClO3-}\) ion.

(b) Describe the geometry about the P atoms, the S atom, and the Cl atom in these species.

(c) Assign a hybridization to the P atoms, the S atom, and the Cl atom in these species.

(d) Determine the oxidation states and formal charge of the atoms in P₄S₃ and the \(\ce{ClO3-}\) ion.

(a)

(б) атоми Р, тригональні пірамідні; атоми S, зігнуті, з двома одинокими парами; атоми Cl, тригональні пірамідні; (в) гібридизація про P, S і Cl є, у всіх випадках, sp ³; (d) стани окислення P +1, S\(−1\dfrac{1}{3}\), Cl +5, O —2. Офіційні збори: P 0; S 0; Cl +2: O —1

Визначте гібридизацію кожного атома вуглецю в наступній молекулі. (Задано розташування атомів; потрібно визначити, скільки зв'язків з'єднують кожну пару атомів.)

Напишіть структури Льюїса для NF ₃ і PF ₅. На основі гібридних орбіталей поясніть той факт, що NF ₃, PF ₃ і PF ₅ є стабільними молекулами, але NF ₅ не існує.

Фосфор і азот можуть утворювати sp ³ гібриди, утворюючи три зв'язки і утримувати одну одиночну пару в PF _{3 і NF 3} відповідно. Однак азот не має валентних d орбіталів, тому він не може сформувати набір гібридних орбіталів sp ³ d для зв'язування п'яти атомів фтору в NF ₅. Фосфор має d орбіталів і може зв'язувати п'ять атомів фтору з sp ³ d гібридними орбіталями в PF ₅.

Крім NF ₃ відомі два інших фторпохідних азоту: N ₂ F ₄ і N ₂ F ₂. Які форми ви прогнозуєте для цих двох молекул? Що таке гібридизація азоту в кожній молекулі?

8.3: Кілька облігацій

Хімія Кінець глави Вправи

Енергія зв'язку одиночного зв'язку С—С становить в середньому 347 кДж моль ⁻¹; енергія потрійного зв'язку CC становить в середньому 839 кДж моль ⁻¹. Поясніть, чому потрійна зв'язок не в три рази міцніша, ніж одна.

Потрійний зв'язок складається з однієї σ зв'язку і двох π зв'язків. А σ зв'язок міцніше, ніж зв'язок π за рахунок більшого перекриття.

Для карбонатного іона,\(\ce{CO3^2-}\), draw all of the resonance structures. Identify which orbitals overlap to create each bond.

A useful solvent that will dissolve salts as well as organic compounds is the compound acetonitrile, H₃CCN. It is present in paint strippers.

(a) Write the Lewis structure for acetonitrile, and indicate the direction of the dipole moment in the molecule.

(b) Identify the hybrid orbitals used by the carbon atoms in the molecule to form σ bonds.

(c) Describe the atomic orbitals that form the π bonds in the molecule. Note that it is not necessary to hybridize the nitrogen atom.

(a)

(b) Термінальний атом вуглецю використовує гібридні орбіталі sp ³, тоді як центральний атом вуглецю є sp гібридизованим. (c) Кожна з двох π зв'язків утворена перекриттям орбіти 2 р на вуглець і азоту 2 р орбітальної.

Для молекули аллена\(\mathrm{H_2C=C=CH_2}\), дають гібридизацію кожного атома вуглецю. Чи будуть атоми водню перебувати в одній площині або перпендикулярних площинам?

Визначте гібридизацію центрального атома в кожній з наступних молекул і іонів, які містять множинні зв'язки:

(а) ClNO (N - центральний атом)

(б) КС ₂

(c) Cl ₂ CO (С - центральний атом)

(d) Cl ₂ SO (S - центральний атом)

(e) SO ₂ F ₂ (S - центральний атом)

(f) xEO ₂ F ₂ (Xe - центральний атом)

(g)\(\ce{ClOF2+}\) (Cl - центральний атом)

(а) сп ²; (б) сп; (в) сп ²; (г) сп ³; (е) сп ³; (ф) сп ³ д; (г) сп ³

Опишіть молекулярну геометрію та гібридизацію атомів N, P або S в кожній з наступних сполук.

(а) H ₃ PO ₄, фосфорна кислота, використовується в безалкогольних напоях кола

(b) NH ₄ NO ₃, аміачна селітра, добриво та вибухонебезпечні речовини

(c) S ₂ Cl ₂, дихлорид дісірки, використовується в вулканізації гуми

(d) K ₄ [O ₃ POPO ₃], пірофосфат калію, інгредієнт деяких зубних паст

Для кожної з наступних молекул вкажіть запитувану гібридизацію та чи будуть електрони делокалізовані:

(а) озон (O ₃) центральна O гібридизація

(б) вуглекислий газ (CO ₂) центральна гібридизація С

(c) діоксид азоту (NO ₂) центральна гібридизація N

(d) фосфат-іон (\(\ce{PO4^3-}\)) центральна гібридизація Р

(а) sp ², делокалізований; (б) sp, локалізований; (c) sp ², делокалізований; (г) sp ³, делокалізований

Для кожної з наступних структур визначте запитувану гібридизацію і чи будуть електрони делокалізовані:

(a) Гібридизація кожного вуглецю

(б) Гібридизація сірки

(c) Всі атоми

Намалюйте орбітальну діаграму для вуглецю в СО ₂, показуючи, скільки електронів атомів вуглецю знаходиться в кожній орбіті.

Кожен з чотирьох електронів знаходиться в окремій орбіталі і перекривається електроном на атомі кисню.

8.4: Теорія молекулярної орбіти

Хімія Кінець глави Вправи

Намалюйте розподіл електронної густини в склеювальних і антизв'язуючих молекулярних орбіталах, утворених з двох s орбіталів і з двох p орбіталів.

Як такі схожі, і чим вони відрізняються?

(a) σ молекулярні орбіталі та π молекулярні орбіталі

(b) ψ для атомної орбіти і ψ для молекулярної орбіталі

(c) склеювальні орбіталі та антібондингові орбіталі

(a) Подібність: Обидва є зв'язковими орбіталями, які можуть містити максимум два електрони. Відмінності: σ орбіталі - це наскрізні комбінації атомних орбіталів, тоді як π орбіталі утворюються побічним перекриттям орбіталів. (b) Подібність: Обидва є квантово-механічними конструкціями, які представляють ймовірність знаходження електрона про атом або молекулу. Відмінності: ψ для атомної орбіти описує поведінку лише одного електрона одночасно на основі атома. Для молекули ψ являє собою математичну комбінацію атомних орбіталей. (c) Подібність: Обидва є орбіталями, які можуть містити два електрони. Відмінності: склеювання орбіталів призводить до утримання двох або більше атомів разом. Антизв'язуючі орбіталі мають ефект дестабілізації будь-якого зв'язку, що сталося.

Якщо молекулярні орбіталі створюються шляхом об'єднання п'яти атомних орбіталей з атома А та п'яти атомних орбіталів з атома B об'єднати, скільки молекулярних орбіталів призведе?

Чи може молекула з непарною кількістю електронів коли-небудь бути діамагнітною? Поясніть, чому чи чому ні.

Непарне число електронів ніколи не може бути парним, незалежно від розташування молекулярних орбіталей. Він завжди буде парамагнітним.

Чи може молекула з парною кількістю електронів коли-небудь бути парамагнітною? Поясніть, чому чи чому ні.

Чому молекулярні орбіталі зв'язку нижчі за енергією, ніж материнські атомні орбіталі?

Склеюючі орбіталі мають електронну щільність в безпосередній близькості від більш ніж одного ядра. Взаємодія між зв'язком позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів стабілізує систему.

Обчисліть порядок зв'язку для іона з такою конфігурацією:

\((σ_{2s})^2(σ^∗_{2s})^2(σ_{2px})^2(π_{2py},\:π_{2pz})^4(π^∗_{2py},\:π^∗_{2pz})^3\)

Explain why an electron in the bonding molecular orbital in the H₂ molecule has a lower energy than an electron in the 1s atomic orbital of either of the separated hydrogen atoms.

The pairing of the two bonding electrons lowers the energy of the system relative to the energy of the nonbonded electrons.

Predict the valence electron molecular orbital configurations for the following, and state whether they will be stable or unstable ions.

(a) \(\ce{Na2^2+}\)

(b) \(\ce{Mg2^2+}\)

(c) \(\ce{Al2^2+}\)

(d) \(\ce{Si2^2+}\)

(e) \(\ce{P2^2+}\)

(f) \(\ce{S2^2+}\)

(g) \(\ce{F2^2+}\)

(h) \(\ce{Ar2^2+}\)

Determine the bond order of each member of the following groups, and determine which member of each group is predicted by the molecular orbital model to have the strongest bond.

(a) H₂, \(\ce{H2+}\), \(\ce{H2-}\)

(b) O₂, \(\ce{O2^2+}\), \(\ce{O2^2-}\)

(c) Li₂, \(\ce{Be2+}\), Be₂

(d) F₂, \(\ce{F2+}\), \(\ce{F2-}\)

(e) N₂, \(\ce{N2+}\), \(\ce{N2-}\)

(a) H₂ bond order = 1, \(\ce{H2+}\) bond order = 0.5, \(\ce{H2-}\) bond order = 0.5, strongest bond is H₂; (b) O₂ bond order = 2, \(\ce{O2^2+}\) bond order = 3; \(\ce{O2^2-}\) bond order = 1, strongest bond is \(\ce{O2^2+}\); (c) Li₂ bond order = 1, \(\ce{Be2+}\) bond order = 0.5, Be₂ bond order = 0, strongest bond is \(\ce{Li2}\);(d) F₂ bond order = 1, \(\ce{F2+}\) bond order = 1.5, \(\ce{F2-}\) bond order = 0.5, strongest bond is \(\ce{F2+}\); (e) N₂ bond order = 3, \(\ce{N2+}\) bond order = 2.5, \(\ce{N2-}\) bond order = 2.5, strongest bond is N₂

For the first ionization energy for an N₂ molecule, what molecular orbital is the electron removed from?

Compare the atomic and molecular orbital diagrams to identify the member of each of the following pairs that has the highest first ionization energy (the most tightly bound electron) in the gas phase:

(a) H and H₂

(b) N and N₂

(c) O and O₂

(d) C and C₂

(e) B and B₂

(a) H₂; (b) N₂; (c) O; (d) C₂; (e) B₂

Which of the period 2 homonuclear diatomic molecules are predicted to be paramagnetic?

A friend tells you that the 2s orbital for fluorine starts off at a much lower energy than the 2s orbital for lithium, so the resulting σ_2s molecular orbital in F₂ is more stable than in Li₂. Do you agree?

Yes, fluorine is a smaller atom than Li, so atoms in the 2s orbital are closer to the nucleus and more stable.

True or false: Boron contains 2s²2p¹ valence electrons, so only one p orbital is needed to form molecular orbitals.

What charge would be needed on F₂ to generate an ion with a bond order of 2?

2+

Predict whether the MO diagram for S₂ would show s-p mixing or not.

Explain why \(\ce{N2^2+}\) is diamagnetic, while \(\ce{O2^4+}\), which has the same number of valence electrons, is paramagnetic.

N₂ has s-p mixing, so the π orbitals are the last filled in \(\ce{N2^2+}\). O₂ does not have s-p mixing, so the σ_p orbital fills before the π orbitals.

Using the MO diagrams, predict the bond order for the stronger bond in each pair:

(a) B₂ or \(\ce{B2+}\)

(b) F₂ or \(\ce{F2+}\)

(c) O₂ or \(\ce{O2^2+}\)

(d) \(\ce{C2+}\) or \(\ce{C2-}\)