Как видно из названия сегодняшней статье речь пойдёт о вопросах, которые часто заставляют задуматься юные умы, которые недавно окунулись в мир химии. Для того, чтобы полностью понимать о чем идет речь в данной статье, рекомендую прочитать первые 4 статьи. Они очень помогут не потеряться в материале.
Гибридизация
Как уже принято в предыдущих статьях сначала дадим определения.
Гибридизация - это смешение атомных орбиталей разного типа, в результате которого образуются одинаковые по форме и энергии орбитали. Число гибридных орбиталей равно числу орбиталей, которые участвуют в гибридизации. На рисунке 2 продемонстрирован процесс SP гибридизации. То есть участвует 1 S орбиталь и одна Р орбиталь.
Для гибридизации актуально такие понятия, как валентный угол и форма молекула. В SP гибридизации валентный угол равен 180 градусов, а форма соответственно линейная. Пример молекулы с SP гибридизацией - BeCl2, вода H2O, сероводород H2O.
Также существует SP2 и SP3 гибридизация. В таком случае образуются уже не 2, а 3 и 4 одинаковых по форме и энергии гибридных орбитали, идентичных, как показаны на рисунке 2.
При SP2 гибридизации валентный угол равняется 120 градусам, а молекула имеет форму равностороннего треугольника. Пример молекулы с SP2 гибридизацией - BF3, С2Н2,
В случае SP3 гибридизации валентный угол составляет 109 градусов 28 минут при тетраэдрической геометрической форме (CH4, CCl4, SiH4) или пирамидальной форме (NH3, PCl3, AsH3, BCl3, AlBr3).
Угловое строение имеют такие молекулы, как вода (H2O), сероводород (H2O).
Степень окисления
Как и гибридизация, степень окисления не так проста к восприятию. Степень окисления - это условный заряд атома, который приписывается исходя из представлений, что все связи ионные, а атом в целом электронейтрален. Это важное допущение, которое необходимо помнить.
Некоторые люди, которые изучают химию, могут подумать, что степень окисления равна валентности - числу атомных связей). Декларируем сразу - это не так!
Вот несколько наиболее важных вещей, которые необходим знать о степени окисления в атоме:
1. Максимальная степень окисления равна номеру группы атома. Исключения составляет кислород О, фтор F, кобальт Co, азот N.
2. Для кислорода степень окисления в молекуле всегда равна -2, кроме молекул OF2 и H2O2 (степень окисления кислорода +2).
3. Минимальная степень окисления металлов не может быть меньше 0.
4. Минимальная степень окисления у неметаллов находится путём вычитания из номера группы, в котором состоит атом числа 8. Например, сера (S) - это элемент 6 группы, то есть минимальная степень окисления равно 8 - 6 = -2.
5. Для d элементов наиболее частая степень окисления -2.
6. Степень окисления у неметаллов может быть отрицательной, равна 0 или положительной. Не работает для F (Фтор) и B (Бор). Фтор бывает только отрицательным (за исключением атомарного фтора), Бор может быть только 0 или положительным.
Запишем наиболее частые степени окисления:
- Н (водород) = -1 (кроме гидридов);
- О (кислород) = -2;
- F (фтор) = -1;
- Cl, Br, I = -1.
У всех простых веществ степень окисления равно 0. Например молекула водорода H2, кислорода O2, золота Au и т.д.
В тех молекулах, где есть 2 и более разных атомов степень окисления ищут методом линейной алгебры.
Проще говоря в таких молекулах почти всегда есть только 1 элемент, степень окисления которого мы не знаем. При этом мы пользуемся прописанным выше правилом, что атом электронейтрален (то есть его степень окисления равна нулю).
Что это значит? А это значит, что мы можем просуммировать степень окисления всех атомов и в конечном счете получим ноль, а тот атом, чью степень окисления мы не знаем, просто обозначаем за икс (х) и решаем простое алгебраическое уравнение.
Например:
ZnO. Мы знаем, что кислород имеет степень окисления -2, а молекула в целом электронейтральна, то есть общий аряд равен нулю. Обозначаем цинк за х и получаем: х+(-2)=0. Переносим -2 в правую часть (при этом не забываем менять знак, но вы это и так знаете) и получаем х = +2.
Другой пример:
CrO3. Мы видим, что у кислорода есть подстрочный индекс. Это значит, что в молекуле есть 3 атома кислорода. Все они имеют степень окисления -2. Проще говоря, если мы видим подстрочный индекс у атома, то нам необходимо умножить степень окисления на данный подстрочный индекс. х + (-2)*3 = 0. При решении данного уравнения получается х = 6. То есть степень окисления хрома (Cr) = +6.
Отдельного примера заслуживают ионы и расчет степени окисления элементов в них. Например (Cr2O7)^-2. В нашем случае ^-2 означает, что данная молекула имеет заряд -2, то есть это ион, а, если быть более точным, то анион. Как же узнать степень окисления хрома в таком случае? Точно также, единственное отличие, что в данном случае молекула не электронейтральна, а имеет заряд -2. У хрома есть подстрочный индекс -2, потому незабываем о нем. 2х + (-2)*7 = -2. Решаем получившееся уравнение и получаем х = +6. Это и есть степень окисления хрома в данном случае.
Думаю на этом остановимся. В следующей статье мы познакомимся с валентностью, электроотрицательностью, а также свойствами периодической системы химических элементов.
