Условие задачи
Составьте электронные и графические формулы веществ: а) O2, Cl2O, H2O2; б) P2, PH3, PCl3. Укажите направление смещения электронной плотности и назовите тип химической связи.
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи по химии, в которой необходимо для каждого указанного вещества записать его электронную (Льюисову) и графическую (структурную) формулу, а также определить направление смещения электронной плотности (поляризацию) и тип связи.
──────────────────────────────
①. Часть (а). Кислород и его производные
А) O₂
• Валентные электроны: у каждого атома кислорода по 6; всего 12 электронов.
• Для O₂ классически записывают Льюисову формулу с двойной связью, так чтобы на каждом атоме осталось по два непарных (в виде двух парных) электрона.
Графическая формула (электронное изображение):
˙˙ ˙˙
:О = О:
˙˙ ˙˙
(На каждом атоме O по два непарных пара электронов – две пары невзаимно притяжённых электронов.)
Направление смещения электронной плотности:
Поскольку оба атома идентичны по электроположению, электронная плотность равномерно распределена – поляризации нет.
Тип связи:
Чисто ковалентная (неполярная ковалентная связь).
──────────────────────────────
Б) Cl₂O (дихлордоксид, чаще записывают как ОCl₂)
• Валентных электронов: у кислорода 6, у каждого хлора 7; общее число = 6 + 2×7 = 20.
• Оксиген (O) занимает центральное положение, связанный с двумя атомами Cl одноэlectronными связями (каждая связь – пара общих электронов). Распределяем оставшиеся электроны так, чтобы все атомы получили завершённое внешнее оболочку.
Льюисова схема:
Cl ‒ O ‒ Cl
При этом:
– На кислороде после двух связей остаётся 4 электрона (2 непарные пары).
– На каждом хлоре остаётся 6 электронов (по 3 пары).
Графическая формула с указанием электронных пар (ссылочно):
˙˙ ˙˙
:Cl ‒ O ‒ Cl:
˙˙ ˙˙
(На каждом атоме Cl – по три пары невзаимно притяжённых электронов, на O – две пары.)
Направление смещения электронной плотности:
Электроотрицательность кислорода (примерно 3,4) выше, чем у хлора (примерно 3,1), следовательно, электронная плотность смещается от атомов Cl к центральному атому O (образуется полярный центр с δ− на O и δ+ на Cl).
Тип связи:
Во всех связях – ковалентные, при этом связи O–Cl являются полярными ковалентными.
──────────────────────────────
В) H₂O₂ (перекись водорода)
• Валентных электронов: у каждого кислорода по 6 (итого 12) и у каждого водорода по 1 (итого 2), суммарно 14.
• Стандартная структурная формула – цепочка: H ‒ O ‒ O ‒ H.
Распишем шаг за шагом:
– Каждый атом кислорода, связанный с водородом и соседним кислородом, участвует в двух связях (O–H и O–O).
– После образования двух связей (по 2 электрона в каждой) на каждом O остаётся 4 невалентных электрона, что соответствует двум парам.
– Каждый водород получает одну связь и не имеет несвязанных электронов.
Графическая (электронная) формула можно записать схематично так:
˙˙ ˙˙
H – O ‒ O – H
˙˙ ˙˙
(На каждом атоме O – по две пары невалентных электронов.)
Направление смещения электронной плотности:
– В связях O–H электронная плотность смещается от водорода (электроотрицательность около 2,1) к кислороду (электроотрицательность около 3,4), поэтому атомы O имеют частичный отрицательный заряд, а H – частичный положительный.
– Между двумя кислородами (связь O–O) разницы в электроотрицательности нет, поэтому эта связь неполярная.
Тип связей:
Все связи – ковалентные. Связи O–H – полярные ковалентные, а связь O–O – неполярная ковалентная (при равной электроотрицательности обоих атомов).
──────────────────────────────
②. Часть (б). Фосфор и его производные
А) P₂
• Валентных электронов: у каждого фосфора по 5, суммарно 10.
В классической Льюисовой конструкции для двуатомного соединения P₂ предполагается кратная связь.
При оптимальном распределении, если построить тройную связь (как в N₂), то на каждом атоме P остается по 2 электрона (одна пара).
Графическая формула:
˙
P ≡ P
˙
(Каждый атом P имеет одну непарную пару (две точки) вне тройной связи.)
Направление смещения электронной плотности:
Атомы фосфора идентичны, электронная плотность рационально распределена между ними – поляризации нет.
Тип связи:
Ковалентная многолинейная (если принять, что связь имеет характер тройной связи; следует отметить, что в реальности P₂ стабилен только в газовой фазе и кратность связи ниже, чем у N₂, однако в рамках данной задачи используют упрощённую схему).
──────────────────────────────
Б) PH₃ (фосфин)
• Валентных электронов: у P – 5, у каждого H – 1, итого 5 + 3 = 8.
Конструкция: фосфор – центральный атом, к которому присоединены три атома водорода, плюс одна пара невалентных электронов у P.
Графическая формула (схематически):
H
|
H – P – H
˙˙
(На атоме P – одна пара невзаимных электронов (две точки); связи P–H – по одной паре общих электронов.)
Направление смещения электронной плотности:
Электроотрицательность фосфора (примерно 2,19) и водорода (≈2,20) практически равны. Поэтому смещение электронной плотности в связях PH – не выражено существенным образом; связь можно считать практически неполярной, однако липкая пара на P придают молекуле некоторую асимметрию.
Тип связи:
Ковалентная, с небольшим (если вообще присутствующим) полярным характером.
──────────────────────────────
В) PCl₃
• Валентных электронов: у P – 5, у каждого Cl – 7, итого 5 + 3×7 = 26.
Строим Льюисову схему: фосфор – центральный атом, к которому присоединены три атома хлора, и у P остаётся одна пара невалентных электронов. Каждый атом Cl получает дополнительные электроны для завершения октета (по 3 пары невзаимных электронов для каждого Cl).
Графическая формула:
˙˙
Cl – P – Cl
˙˙
|
Cl
˙˙
(На атоме P – одна пара невзаимных электронов; на каждом атоме Cl – три пары невзаимных электронов.)
Направление смещения электронной плотности:
Хлор имеет более высокую электроотрицательность (около 3,0) по сравнению с фосфором (2,19). Поэтому в связях P–Cl электронная плотность смещается от P к Cl – центральный атом P приобретает частичный положительный заряд (δ+), a атомы Cl – частичный отрицательный заряд (δ–).
Тип связи:
Полярные ковалентные связи.
──────────────────────────────
Резюмируя:
Часть (а):
1. O₂ – имеет двойную ковалентную связь между двумя одинаковыми атомами кислорода, электронная плотность распределена симметрично.
2. Cl₂O – имеет связь Cl–O–Cl (с центральным кислородом, на который смещена электронная плотность), все связи – полярные ковалентные.
3. H₂O₂ – строение H–O–O–H, в связях O–H электронная плотность смещена от H к O (полярная связь), связь O–O – неполярная.
Часть (б):
1. P₂ – двухатомная молекула с предполагаемой кратной (например, тройной) связью; связь симметричная.
2. PH₃ – фосфин с пирамидальной структурой (P с одной неподелённой парой – «одинокая» пара) и тремя связями P–H; связи почти неполярны.
3. PCl₃ – молекула с пирамидальной структурой, где в полярных связях P–Cl электронная плотность сдвинута от P к более электроотрицательным атомам Cl.
Таким образом, для всех соединений связи являются ковалентными, а полярность определяется разницей в электроотрицательностях участвующих атомов (смещение электронной плотности от атома с меньшей электроотрицательностью к атому с большей электроотрицательностью).