Номер 384, страница 59 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

384. Атомы каких химических элементов могут образовывать по обменному механизму только по одной ковалентной связи? Почему? Приведите примеры.

Решение

Ковалентная связь по обменному механизму образуется за счет обобществления пары электронов, по одному от каждого из взаимодействующих атомов. Следовательно, число ковалентных связей, которые может образовать атом по этому механизму, определяется числом его неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне.

Для того чтобы атом мог образовывать только одну ковалентную связь, он должен удовлетворять двум условиям:

1. Иметь на внешнем энергетическом уровне ровно один неспаренный электрон.
2. Не иметь возможности переходить в возбужденное состояние с бо́льшим числом неспаренных электронов.

Этим условиям в полной мере отвечают атомы двух химических элементов: водорода (H) и фтора (F).

Почему именно эти элементы?

• Водород (H). Его электронная конфигурация $1s^1$. Атом водорода имеет всего один электрон на единственном энергетическом уровне. Этот электрон является неспаренным. Для достижения стабильной двухэлектронной оболочки (как у гелия) водороду необходимо образовать одну ковалентную связь. У него нет других электронов или доступных орбиталей на первом уровне, чтобы увеличить число неспаренных электронов.
• Фтор (F). Его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^5$. На внешнем втором энергетическом уровне у него семь валентных электронов. Их распределение по орбиталям выглядит так: на $2s$-подуровне находится спаренная пара электронов, а на $2p$-подуровне на двух орбиталях находятся пары электронов и на одной — один неспаренный электрон. Именно этот неспаренный электрон и участвует в образовании единственной ковалентной связи. Второй энергетический уровень ($n=2$) не содержит $d$-подуровня. Поэтому у фтора нет свободных орбиталей с близкой энергией, куда можно было бы "распарить" электронные пары с $2s$- или $2p$-подуровней. Переход электрона на следующий, третий, уровень требует огромных затрат энергии. Из-за этого фтор не может иметь возбужденного состояния с большим числом неспаренных электронов и во всех соединениях проявляет валентность, равную I.

Другие элементы, имеющие один неспаренный электрон (например, щелочные металлы с конфигурацией $ns^1$ или другие галогены с конфигурацией $ns^2 np^5$), не полностью соответствуют условию. Щелочные металлы (Li, Na, K и др.) гораздо охотнее отдают свой электрон, образуя ионную связь, а не ковалентную. Другие галогены (Cl, Br, I), в отличие от фтора, имеют вакантный $d$-подуровень на своем внешнем энергетическом уровне (начиная с $n=3$). Это позволяет им переходить в возбужденные состояния с 3, 5 или 7 неспаренными электронами и образовывать соответствующее число ковалентных связей (например, в соединениях $ClF_3, IF_5, HIO_4$).

Примеры соединений:

• Молекула водорода $H_2$, где каждый атом водорода образует одну связь: $H-H$.
• Молекула фтороводорода $HF$, где и водород, и фтор образуют по одной связи: $H-F$.
• Молекула фтора $F_2$: $F-F$.
• Молекула воды $H_2O$, где каждый из двух атомов водорода образует по одной связи с атомом кислорода.
• Молекула фторида кислорода $OF_2$, где каждый из двух атомов фтора образует по одной связи с атомом кислорода.

Ответ: Только одну ковалентную связь по обменному механизму могут образовывать атомы водорода (H) и фтора (F). Это связано с тем, что у них на внешнем энергетическом уровне есть только один неспаренный электрон и отсутствует возможность увеличения числа неспаренных электронов за счет перехода в возбужденное состояние. Примеры: $H_2, F_2, HF$.