Условие задачи
Запишите схемы образования молекул: Na2, Br2, O2, N2. Каков тип химической связи в этих молекулах?
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по химии (теория химических связей и строение молекул).
1. Исходные данные и понятия:
• Задача относится к дисциплине «химия», а именно к теме «химическая связь» и «образование молекул».
• Схема образования молекулы означает запись процесса, в котором атомы, используя свои валентные электроны, объединяются в молекулу посредством наложения орбиталей, образуя ковалентную связь.
• В данных случаях все рассматриваемые молекулы (Na₂, Br₂, O₂, N₂) являются диатомическими и в них атомы соединяются посредством ковалентных связей (хотя в твердой фазе у металлов могут наблюдаться металлические связи, в газовой фазе образовавшиеся молекулы описываются как ковалентные).
2. Схемы образования молекул:
А) Молекула Na₂
• Атом натрия имеет электронную конфигурацию с одним валентным электроном (на уровне 3s¹).
• При образовании молекулы два атома Na взаимодействуют за счёт перекрытия 3s-орбиталей и обмениваются по одному электрону, формируя один общий электронную пару – σ-связь.
Схема:
Na∙ + ∙Na → Na‒Na
где символ «∙» – обозначение неспаренного валентного электрона, а линия «‒» – единичная (одинарная) ковалентная связь.
Б) Молекула Br₂
• Атом брома имеет 7 электронов на внешней оболочке (обычно представляют как 4s² 4p⁵); остаётся один неспаренный электрон, отвечающий за связь.
• Два атома Br объединяются, перекрывая соответствующие p-орбитали, образуя единичную σ-связь.
Схема:
Br∙ + ∙Br → Br‒Br
Поскольку атомы одинаковые, связь является неполярной ковалентной.
В) Молекула O₂
• Атом кислорода имеет электронную конфигурацию с валентной частью 2s² 2p⁴, то есть два из p-орбиталей содержат неспаренные электроны.
• При образовании молекулы O₂ два атома кислорода перекрывают свои 2p-орбитали, образуя одну σ-связь (при перекрытии по оси, соединяющей ядра) и одну π-связь (при боковом перекрытии), что в классической записи соответствует двойной связи – O═O.
Схема (упрощённо):
O∙∙ + ∙∙O → O═O
Заметим, что согласно молекулярной орбитальной теории O₂ имеет два парамагнитных электрона, но для классического построения достаточно записи двойной связи.
Г) Молекула N₂
• Атом азота имеет электронную конфигурацию с валентной частью 2s² 2p³.
• При образовании молекулы два атома азота перекрывают свои 2p-орбитали, образуя одну σ-связь и две π-связи, что даёт тройную связь – N≡N.
Схема:
N∙∙ + ∙∙N → N≡N
3. Тип химической связи:
• Во всех рассматриваемых молекулах молекулы образуются посредством ковалентной связи, которая возникает в результате совместного использования атомами своих валентных электронов.
• В Na₂, несмотря на металлический характер натрия в твердом состоянии, в газовой фазе его диатомическая молекула имеет ковалентную связь.
• Для Br₂, O₂ и N₂ связь образуется перекрытием p-орбиталей (с дополнительными элементами σ, π или тройной связью в случае N₂).
Таким образом, окончательный ответ:
Молекула Na₂:
Na∙ + ∙Na → Na‒Na
(одинарная ковалентная σ-связь)
Молекула Br₂:
Br∙ + ∙Br → Br‒Br
(одинарная ковалентная σ-связь)
Молекула O₂:
O∙∙ + ∙∙O → O═O
(двойная ковалентная связь – одна σ и одна π; по МОТ O₂ имеет парамагнитные свойства)
Молекула N₂:
N∙∙ + ∙∙N → N≡N
(тройная ковалентная связь – одна σ и две π)
Тип химической связи во всех этих молекулах – ковалентная связь.