Номер 416, страница 64 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

416. Укажите число ковалентных связей, которые образует атом кислорода в ионе $H_3O^+$. Чему равна валентность и степень окисления атомов кислорода в этом ионе и какое пространственное строение он имеет?

Ион гидроксония, $H_3O^+$, образуется при присоединении протона $H^+$ к молекуле воды $H_2O$. Атом кислорода в молекуле воды имеет две неподеленные электронные пары. Одна из этих пар используется для образования ковалентной связи с протоном (у которого есть свободная орбиталь) по донорно-акцепторному механизму. В результате в ионе гидроксония атом кислорода оказывается связанным с тремя атомами водорода.

Укажите число ковалентных связей, которые образует атом кислорода в ионе гидроксония.

В ионе гидроксония ($H_3O^+$) атом кислорода образует три ковалентные связи с тремя атомами водорода. Две из этих связей образованы по обычному обменному механизму (как в молекуле воды), а третья — по донорно-акцепторному механизму. В последнем случае атом кислорода предоставляет свою электронную пару для образования связи с протоном $H^+$. Несмотря на разный механизм образования, все три связи O-H в ионе гидроксония становятся равноценными и неразличимыми.

Ответ: 3.

Чему равна валентность ... атомов кислорода в этом ионе

Валентность элемента определяется числом химических связей, которые атом данного элемента образует с другими атомами. Поскольку в ионе $H_3O^+$ атом кислорода образует три ковалентные связи, его валентность равна III.

Ответ: III.

... и степень окисления атомов кислорода в этом ионе

Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный характер. Сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна его заряду. Заряд иона гидроксония равен $+1$. Степень окисления водорода (кроме гидридов металлов) принимается равной $+1$. Обозначим степень окисления кислорода через $x$. Тогда можно составить уравнение:

$x + 3 \cdot (+1) = +1$

$x + 3 = 1$

$x = 1 - 3 = -2$

Ответ: -2.

... и какое пространственное строение он имеет?

Пространственное строение иона гидроксония определяется согласно теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR). Центральный атом кислорода имеет 6 валентных электронов. Три из них участвуют в образовании трех связей с атомами водорода, еще два образуют одну неподеленную электронную пару. Таким образом, вокруг центрального атома кислорода располагаются четыре электронных домена: три связывающие электронные пары и одна неподеленная. Эти четыре домена направлены к вершинам тетраэдра. Однако геометрия самого иона определяется расположением атомов. Поскольку одну из вершин тетраэдра занимает неподеленная электронная пара, ион $H_3O^+$ имеет форму тригональной пирамиды (по аналогии с молекулой аммиака $NH_3$). Атом кислорода находится в вершине этой пирамиды, а три атома водорода образуют треугольное основание. Угол между связями H–O–H составляет примерно $107^\circ$, что немного меньше идеального тетраэдрического угла ($109.5^\circ$) из-за более сильного отталкивающего действия неподеленной электронной пары.

Ответ: тригональная пирамида.