Строение по химическим и физическим данным — Неорганическая химия для олимпиад

Строение по химическим и физическим данным

9 заданий

Как данные указывают на строение

Строение молекулы не всегда удаётся определить непосредственно. Поэтому химик предлагает модель строения и проверяет, согласуется ли она с измерениями и результатами реакций. Разные данные позволяют проверить разные особенности модели.

Дипольный момент характеризует распределение электрического заряда в молекуле. Вещество с неспаренными электронами парамагнитно, а вещество без них диамагнитно. Длины связей помогают сравнить их кратность. Наконец, число изомеров — частиц одинакового состава, но различного строения — зависит от возможного расположения атомов.

ДанныеЧто позволяют установитьПример
Дипольный моментЕсть ли у молекулы суммарная полярность.Для \(\ce{XeF2}\) значение \(\mu = 0\) согласуется с линейной формой; для \(\ce{SF4}\) значение \(\mu \ne 0\) согласуется с дисфеноидной формой молекулы.
Магнитные свойстваЕсть ли в частице неспаренные электроны.\(\ce{NO2}\) парамагнитен и является радикалом, а \(\ce{N2O4}\) диамагнитен.
Длина связиОдинаковы ли связи и какова их кратность.В \(\ce{NO3-}\) все три связи N–O имеют длину 124 пм. Это указывает на делокализацию электронов между связями.
Число изомеровКакие расположения атомов допускает форма молекулы.Для \(\ce{PF3Cl2}\) тригональная бипирамида допускает три расположения атомов хлора, однако известен лишь один изомер: оба атома хлора в нём занимают экваториальные положения.
Продукты реакцийКакие предположения о строении согласуются с превращением вещества.При реакции одной молекулы \(\ce{B2H6}\) с водой образуются 6 молекул \(\ce{H2}\).

Результаты реакций особенно полезны тогда, когда вещества с близким составом ведут себя по-разному. При этом отдельная реакция обычно не раскрывает строение целиком: её вывод сопоставляют с другими данными.

scienceСтроение и химические превращения

  1. \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\) — при охлаждении бурый парамагнитный диоксид азота образует диамагнитный димер, поэтому окраска ослабевает.
  2. \(\ce{B2H6 + 6H2O -> 2H3BO3 + 6H2 ^}\) — все шесть атомов водорода диборана несут частичный отрицательный заряд (это гидридный водород), поэтому при реакции каждый из них соединяется с протоном воды, образуя молекулу \(\ce{H2}\).
  3. \(\ce{Al2Cl6 <=>[t] 2AlCl3}\) — при нагревании димер распадается; при полной диссоциации относительная плотность пара уменьшается вдвое.
  4. \(\ce{Hg2Cl2 ->[h\nu] HgCl2 + Hg}\) — на свету каломель темнеет вследствие образования металлической ртути; реакция согласуется со строением каломели, в котором имеется связь Hg–Hg.

auto_awesomeДиборан и трёхцентровые связи

У молекулы \(\ce{B2H6}\) всего 12 валентных электронов. Этого недостаточно, чтобы изобразить восемь связей обычными двухэлектронными связями по Льюису. Строение диборана установили электронографией в 1951 году: четыре концевых атома водорода образуют обычные связи с бором, а два мостиковых входят в изогнутые трёхцентровые двухэлектронные связи B–H–B. Такие связи называют также «банановыми». За теорию электронодефицитных связей Уильям Липскомб получил Нобелевскую премию в 1976 году.

boltПорядок разбора незнакомой частицы

  1. Подсчитайте валентные электроны частицы.
  2. Постройте структуру Льюиса — схему связей и неподелённых электронных пар. Проверьте формальные заряды, то есть условные заряды атомов в этой схеме.
  3. Определите форму частицы с помощью модели отталкивания электронных пар: учитывайте число связей и неподелённых пар вокруг центрального атома.
  4. Проверьте, есть ли неспаренные электроны. При нечётном общем числе электронов они обязательно есть.
  5. Сравните предсказания модели с полярностью, магнитными свойствами и длинами связей. Если данные ей противоречат, рассмотрите делокализацию электронов, метод молекулярных орбиталей (МО) или мостиковые связи.

Практикум: близкие формулы — разные вещества

В олимпиадных задачах нередко сравнивают вещества с похожими формулами, но разными свойствами. Чтобы объяснить различие, нужно установить, как связаны атомы и как устроены сами частицы или кристалл.

ПараЧем различаютсяПричина
\(\ce{CO2}\) / \(\ce{SiO2}\)Диоксид углерода является газом, а диоксид кремния образует тугоплавкий кристалл.В отличие от углерода, кремний не образует столь прочных π-связей Si=O; атомы кремния входят в пространственный каркас.
\(\ce{BF3}\) / \(\ce{NF3}\)Первая молекула плоская и неполярная, вторая — пирамидальная и полярная.У атома бора нет неподелённой пары, а у атома азота она есть.
\(\ce{CO2}\) / \(\ce{SO2}\)Первая молекула неполярная, вторая — полярная.Молекула \(\ce{SO2}\) имеет угловую форму из-за неподелённой пары на атоме серы.
\(\ce{H2O}\) / \(\ce{H2S}\)При обычных условиях вода является жидкостью, а сероводород — газом.Между молекулами воды образуются водородные связи.
\(\ce{PCl3}\) / \(\ce{PCl5}\)Молекула первого вещества имеет форму пирамиды, второго — тригональной бипирамиды; в кристалле второго вещества присутствуют ионы.В молекулах различается число электронных областей вокруг атома фосфора.
\(\ce{NH3}\) / \(\ce{PH3}\)Углы между связями составляют 107° и 93,5° соответственно; аммиак является более сильным основанием, чем фосфин.У фосфора неподелённая пара занимает s-подобную орбиталь и менее доступна для образования связи.

Различия в строении проявляются и в реакциях. Однако, объясняя реакционную способность, нельзя ограничиваться одной лишь формой или полярностью молекулы: необходимо учитывать, какое химическое превращение происходит.

scienceРазличия, проявляющиеся в реакциях

  1. \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — аммиак принимает протон; фосфин проявляет основные свойства слабее и образует соль \(\ce{PH4I}\) при реакции с иодоводородной кислотой: \(\ce{PH3 + HI -> PH4I}\).
  2. \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S v + 2H2O}\) — диоксид серы является окислителем и восстанавливается до серы; \(\ce{CO2}\) с сероводородом так не реагирует.
  3. \(\ce{BF3 + NH3 -> F3B-NH3}\) — атом бора принимает электронную пару аммиака, поэтому \(\ce{BF3}\) является кислотой Льюиса; \(\ce{NF3}\) электронную пару не отдаёт и почти не проявляет основных свойств.
  4. \(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — фтороводород реагирует с каркасом кремнезёма; эту реакцию используют при травлении стекла.

errorГраницы применимости модели

Если предсказания модели противоречат наблюдениям, её необходимо пересмотреть. Структура Льюиса с парными электронами не объясняет парамагнетизм \(\ce{O2}\), для которого нужен метод МО. Строение \(\ce{B2H6}\) нельзя описать только обычными двухэлектронными связями и правилом октета: его объясняют трёхцентровые связи.

push_pinГлавное

Дипольный момент помогает проверить предположение о форме молекулы, парамагнетизм указывает на неспаренные электроны, а длины связей и число возможных изомеров помогают уточнить распределение электронов и расположение атомов. Близость формул не означает сходства свойств: \(\ce{CO2}\) и \(\ce{SiO2}\), \(\ce{NO2}\) и \(\ce{N2O4}\), \(\ce{BH3}\) и \(\ce{B2H6}\) различаются строением. Поэтому предложенную модель — структуру Льюиса, модель отталкивания электронных пар или метод МО — проверяют по совокупности химических и физических данных.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.