Номер 80, страница 31 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

80. Изучите приведенную таблицу:

Элемент Характерная валентность

H I

F I

O II

N III

C IV

Выполните задания.

а) Объясните приведенные в таблице данные о характерных валентностях элементов исходя из строения электронных оболочек их атомов.

б) Приведите структурные формулы веществ: $F_2$, $O_2$, $N_2$, $HF$, $H_2O$, $NH_3$, $CH_4$, $CF_4$, $CO_2$, $CH_3F$, $C_2H_6$, $C_2H_4$.

а)

Характерная валентность химического элемента — это число ковалентных связей, которое атом данного элемента обычно образует в соединениях. Эта величина напрямую связана со строением внешней электронной оболочки атома, а именно с количеством неспаренных валентных электронов, способных участвовать в образовании химических связей.

Водород (H): Атом водорода имеет электронную конфигурацию $1s^1$. У него есть один валентный электрон на единственном электронном уровне. Для достижения стабильной двухэлектронной конфигурации (дуплета), как у инертного газа гелия, атому водорода необходимо образовать одну ковалентную связь. Поэтому его валентность всегда равна I.

Фтор (F): Электронная конфигурация атома фтора — $1s^2 2s^2 2p^5$. На его внешнем (втором) электронном уровне находится 7 валентных электронов. Из них один электрон на $2p$-орбитали является неспаренным. Для завершения внешнего уровня до стабильного восьмиэлектронного состояния (октета) атому фтора не хватает одного электрона. Он образует одну ковалентную связь, и его валентность равна I.

Кислород (O): Электронная конфигурация атома кислорода — $1s^2 2s^2 2p^4$. На внешнем уровне у него 6 валентных электронов. Согласно правилу Хунда, на $2p$-подуровне располагаются два неспаренных электрона. Эти два электрона позволяют атому кислорода образовать две ковалентные связи для достижения октета. Таким образом, характерная валентность кислорода равна II.

Азот (N): Электронная конфигурация атома азота — $1s^2 2s^2 2p^3$. На внешнем уровне у него 5 валентных электронов. Все три электрона на $2p$-подуровне являются неспаренными. Это позволяет атому азота образовывать три ковалентные связи для завершения внешней оболочки до октета. Следовательно, его характерная валентность равна III.

Углерод (C): Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии — $1s^2 2s^2 2p^2$. В этом состоянии у него два неспаренных электрона, что предполагает валентность II. Однако при образовании связей атом углерода легко переходит в возбужденное состояние, при котором один электрон с $2s$-подуровня перемещается на вакантную $2p$-орбиталь. Электронная конфигурация возбужденного атома углерода — $1s^2 2s^1 2p^3$. В результате у него появляются четыре неспаренных электрона. Это позволяет углероду образовывать четыре ковалентные связи, что энергетически более выгодно за счет образования большего числа прочных связей. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений углерод проявляет валентность IV.

Ответ: Характерная валентность данных элементов определяется числом неспаренных электронов на их внешних электронных оболочках (в основном или возбужденном состоянии), которые участвуют в образовании ковалентных связей. У водорода и фтора по одному неспаренному электрону, что обуславливает их валентность I. У кислорода два неспаренных электрона (валентность II), у азота — три (валентность III). Атом углерода в возбужденном состоянии имеет четыре неспаренных электрона, что соответствует его характерной валентности IV.

б)

Структурные формулы указанных веществ, составленные с учетом их характерных валентностей:

F₂ (фтор):
F—F

O₂ (кислород):
O=O

N₂ (азот):
N≡N

HF (фтороводород):
H—F

H₂O (вода):
H—O—H

NH₃ (аммиак):
H
|
H—N—H

CH₄ (метан):
H
|
H—C—H
|
H

CF₄ (тетрафторметан):
F
|
F—C—F
|
F

CO₂ (диоксид углерода):
O=C=O

CH₃F (фторметан):
H
|
H—C—F
|
H

C₂H₆ (этан):
H H
| |
H—C—C—H
| |
H H

C₂H₄ (этен):
H H
╲ ╱
C=C
╱ ╲
H H

Ответ: Структурные формулы веществ: F₂: F—F; O₂: O=O; N₂: N≡N; HF: H—F; H₂O: H—O—H; NH₃: H—N(H)—H (азот связан с тремя атомами водорода); CH₄: H—C(H)(H)—H (углерод связан с четырьмя атомами водорода); CF₄: F—C(F)(F)—F (углерод связан с четырьмя атомами фтора); CO₂: O=C=O; CH₃F: H—C(H)(H)—F (углерод связан с тремя атомами водорода и одним атомом фтора); C₂H₆: H3C—CH3; C₂H₄: H2C=CH2.