Номер 361, страница 56 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

361. *Масса катиона равна $2,99 \cdot 10^{-23}$ г, в его составе содержится 10 электронов. Установите катион. Какие химические связи присутствуют в его составе? Каковы механизмы их образования? Какое число неподелённых и связывающих электронных пар содержится в составе катиона?

Дано:

Масса катиона: $m_{катиона} = 2,99 \cdot 10^{-23}$ г

Число электронов в катионе: $N_e = 10$

Постоянная Авогадро: $N_A \approx 6,022 \cdot 10^{23}$ моль$^{-1}$

Перевод в СИ:

$m_{катиона} = 2,99 \cdot 10^{-26}$ кг

Найти:

Формулу катиона, тип химических связей в его составе, механизмы их образования, число неподелённых и связывающих электронных пар.

Решение:

Установите катион.

Для установления катиона сначала определим его молярную массу $M$, зная массу одной частицы $m$ и число Авогадро $N_A$:

$M = m \cdot N_A = 2,99 \cdot 10^{-23} \text{ г} \cdot 6,022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1} \approx 18,01 \text{ г/моль}$

Молярная масса катиона составляет примерно $18 \text{ г/моль}$. В составе катиона содержится 10 электронов. Это соответствует электронной конфигурации инертного газа неона ($Ne$). Так как частица является катионом (имеет положительный заряд), общее число протонов в её ядрах должно быть больше числа электронов, то есть больше 10.

Рассмотрим возможные катионы, содержащие 10 электронов и состоящие из лёгких элементов (первого-второго периодов):

• Простые катионы, такие как $Na^+$ (11 протонов, $M \approx 23 \text{ г/моль}$) или $Mg^{2+}$ (12 протонов, $M \approx 24,3 \text{ г/моль}$), не подходят по молярной массе.
• Сложные (многоатомные) катионы. Наиболее вероятными кандидатами являются катион гидроксония $H_3O^+$ и катион аммония $NH_4^+$.

Проверим эти варианты:

• Катион гидроксония $H_3O^+$:

  • Число протонов = $3 \cdot Z(H) + Z(O) = 3 \cdot 1 + 8 = 11$.
  • Число электронов = (число протонов) - (заряд) = $11 - 1 = 10$. Соответствует условию.
  • Молярная масса $M(H_3O^+) = 3 \cdot M_r(H) + M_r(O) \approx 3 \cdot 1 + 16 = 19 \text{ г/моль}$. Не соответствует расчётной массе.

• Катион аммония $NH_4^+$:

  • Число протонов = $Z(N) + 4 \cdot Z(H) = 7 + 4 \cdot 1 = 11$.
  • Число электронов = (число протонов) - (заряд) = $11 - 1 = 10$. Соответствует условию.
  • Молярная масса $M(NH_4^+) = M_r(N) + 4 \cdot M_r(H) \approx 14 + 4 \cdot 1 = 18 \text{ г/моль}$. Соответствует расчётной массе.

Таким образом, все условия задачи удовлетворяет катион аммония $NH_4^+$.

Ответ: Искомый катион — катион аммония $NH_4^+$.

Какие химические связи присутствуют в его составе?

В катионе аммония $NH_4^+$ центральный атом азота связан с четырьмя атомами водорода. Связи между атомом азота и атомами водорода (N-H) являются ковалентными полярными. Полярность обусловлена разницей в электроотрицательности азота ($EN \approx 3,04$) и водорода ($EN \approx 2,20$). Электронная плотность смещена от атомов водорода к более электроотрицательному атому азота.

Ответ: В составе катиона аммония присутствуют четыре ковалентные полярные связи N-H.

Каковы механизмы их образования?

Катион аммония $NH_4^+$ образуется при присоединении протона $H^+$ к молекуле аммиака $NH_3$. В молекуле аммиака у атома азота есть одна неподелённая электронная пара, а у протона $H^+$ — вакантная 1s-орбиталь. Образование иона происходит по донорно-акцепторному механизму:

$NH_3 + H^+ \rightarrow [NH_4]^+$

Атом азота в молекуле аммиака выступает в роли донора, предоставляя свою неподелённую электронную пару для образования связи. Протон $H^+$ является акцептором этой электронной пары. Так образуется четвертая связь N-H. Три другие связи N-H в исходной молекуле аммиака образованы по обменному механизму, где каждый из атомов (азот и водород) предоставляет по одному электрону для создания общей электронной пары. После образования катиона аммония все четыре связи N-H становятся равноценными и неразличимыми.

Ответ: Одна из четырёх связей N-H образуется по донорно-акцепторному механизму (азот - донор, протон - акцептор), а три другие, существующие в исходной молекуле аммиака, образованы по обменному механизму.

Какое число неподелённых и связывающих электронных пар содержится в составе катиона?

Для определения числа электронных пар рассмотрим валентные электроны. Атом азота (группа 15) имеет 5 валентных электронов. Четыре атома водорода (группа 1) имеют по 1 валентному электрону ($4 \cdot 1 = 4$). Общее число валентных электронов для нейтральной группы NH₄ составило бы $5 + 4 = 9$. Так как это катион с зарядом +1, один электрон отдан, и общее число валентных электронов равно $9 - 1 = 8$.

В ионе $NH_4^+$ атом азота образует четыре связи с четырьмя атомами водорода. На образование каждой связи уходит по одной электронной паре. Таким образом, все 8 валентных электронов ($4 \times 2 = 8$) участвуют в образовании химических связей.

Число связывающих электронных пар равно 4.

Число неподелённых электронных пар равно (общее число валентных электронов - число связывающих электронов) / 2 = $(8 - 8) / 2 = 0$.

Ответ: В составе катиона аммония содержится 4 связывающие электронные пары и 0 неподелённых электронных пар.