Валентность кислорода в соединениях
Кислород — восьмой по счету элемент Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Он находится во втором периоде во VIA группе. В ядре атома кислорода содержится 8 протонов и 8 нейтронов (массовое число равно 16). В атоме кислорода есть два энергетических уровня, на которых находятся 8 электронов (рис. 1).
Электронная формула атома кислорода в основном состоянии имеет следующий вид:
1s22s22p4.
А энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):
Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что кислород может проявлять валентность II в своих соединения (CaOII, Na2OII, Al2OII3, Cl2OII7, H2OII2 и т.д.).
Так как на 2 энергетическом слое нет подуровней кроме 2s и 2p, которые уже заняты электронами, возбужденного состояния у кислорода нет.
Валентность химических элементов
Из материалов урока вы узнаете, что постоянство состава вещества объясняется наличием у атомов химических элементов определенных валентных возможностей; познакомитесь с понятием «валентность атомов химических элементов»; научитесь определять валентность элемента по формуле вещества, если известна валентность другого элемента; научитесь составлять химические формулы по валентности.
I. Понятие “валентность”
Состав большинства веществ постоянен. Например, молекула воды всегда содержит 2 атома водорода и 1 атом кислорода – Н2О. Возникает вопрос: почему вещества имеют постоянный состав?
Проанализируем состав предложенных веществ: Н2О, NaH, NH3, CH4, HCl. Все они состоят из атомов двух химических элементов, один из которых водород. На один атом химического элемента может приходиться 1,2,3,4 атома водорода. Но ни в одном веществе не будет на один атом водорода приходиться несколько атомов другого химического элемента. Таким образом, атом водорода может присоединять к себе минимальное количество атомов другого элемента, а точнее, только один.
Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов.
Валентность элемента можно представить как число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента может соединяться атом данного элемента. Валентность элемента – это число связей, которое образует атом:
Na – одновалентен (одна связь)
H – одновалентен (одна связь)
O – двухвалентен (две связи у каждого атома)
S – шестивалентна (образует шесть связей с соседними атомами)
II. Правила определения валентности элементов в соединениях
Посмотрите видео по данной теме:
- Валентность водорода принимают за I (единицу). Тогда в соответствии с формулой воды Н2О к одному атому кислорода присоединено два атома водорода.
- Кислород в своих соединениях всегда проявляет валентность II. Поэтому углерод в соединении СО2 (углекислый газ) имеет валентность IV.
- Высшая валентность равна номеру группы.
- Низшая валентность равна разности между числом 8 (количество групп в таблице) и номером группы, в которой находится данный элемент, т.е. 8 — N группы.
- У металлов, находящихся в «А» подгруппах, валентность равна номеру группы.
- У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая. Например: сера имеет высшую валентность VI и низшую (8 – 6), равную II; фосфор проявляет валентности V и III.
- Валентность может быть постоянной или переменной.
Валентность элементов необходимо знать, чтобы составлять химические формулы соединений.
III. Алгоритм определения валентности по формуле
Зная формулу вещества, состоящего из атомов двух химических элементов, и валентность одного из них, можно определить валентность другого элемента.
Пример 1. Определим валентность углерода в веществе СН4.
Зная, что валентность водорода всегда равна I, а углерод присоединил к себе 4 атома водорода, можно утверждать, что валентность углерода равна IV. Валентность атомов обозначается римской цифрой над знаком элемента.
Пример 2. Определим валентность фосфорав соединении Р2О5.
Для этого необходимо выполнить следующие действия:
1. Над знаком кислорода записать значение его валентности – II (кислород имеет постоянное значение валентности);
2. Умножив валентность кислорода на число атомов кислорода в молекуле, найти общее число единиц валентности – 2·5=10;
3. Разделить полученное общее число единиц валентностей на число атомов фосфора в молекуле – 10:2=5.
IV. Cоставление бинарных формулпо валентностям химических элементов
Бинарная химическая формула – это формула химического соединения, в состав которого входят два вида атомов.
V. Задания для закрепления
Задание №1.
Даны химические элементы и указана их валентность. Составьте соответствующие химические формулы:
I II V IV III VII III II IV III
Li O, Ba O, P O, SnO, P H, MnO, Fe O, H S, N O, Cr Cl
Задание №2.
Составьте формулы молекул для следующих соединений:
1) меди и кислорода,
2) цинка и хлора,
3) калия и йода,
4) магния и серы.
Задание №3.
Используя материалы лекции составьте бинарные формулы следующими элементами:
А) бор и кислород;
Б) алюминий и хлор;
В) литий и сера.
Задание №4
Определите валентность химических элементов по формулам их соединений:
NH3, FeCl3, Cr2O3, SO3, CH4, P2O5
Кислородные соединения бора. способы получения. химические свойства.
Общая характеристика бора: строение атома, валентные возможности, степени окисления. Химические свойства простого вещества.
Электронная конфигурация бора: [2He]2s22p1. Три валентных электрона определяют устойчивую степень окисления бора III.
Бор очень сильно отличается по свойствам от других представителей данной группы. Он в IIIА-группе единственный неметалл, химически инертен.
У бора очень высокая склонность к образованию ковалентных связей, кратность которых может быть повышена за счет дополнительно pπ-pπ-взаимодействия.
Химия бора по свойствам близка к химии кремния. Проявляется так называемое диагональное сходство.
Соединения бора точно также как и соединения алюминия являются электронодефицитными соединениями.
Химические свойства бора
В зависимости от условий получения бора различают для него несколько модификаций – аморфный, кристаллический и стеклообразный. В химическом отношении наибольшую активность проявляет аморфный бор. Он вступает в химическое взаимодействие с концентрированной азотной кислотой, с расплавами щелочей реагирует только в присутствии окислителя, как правило, кислорода; с водяным паром в интервале температур 700-800 oC образует оксид бора. Оксид бора также получается при взаимодействии бора с безводной серной кислотой при нагревании.
Кристаллический бор химически инертный.
Таблица 1. Химические свойства бора
| HNO3 ( конц.) | NaOH(расплав) O2(окислитель) | H2O ( пар ) | H2SO4(безвод) | |
| B (аморф) | B(OH)3 NO2 ↑ | NaBO2 H2O | B2O3 H2 | B2O3 SO2 ↑ H2O |
Получение бора
Основные минералы бора: бура Na2B4O7∙7H2O, борацит Mg3B8O15∙MgCl2.
Основные способы получения:
А) Аморфный бор:
I стадия: «вскрытие» минерала:
Na2B4O7 2H2SO4(конц) 5H2O = 4B(OH)3 2NaHSO4
B(OH)3 = B2O3 3H2O (дегидратация борной кислоты; t = 250 oC)
II стадия: металлотермия:
B2O3 3Mg = 2B 3MgO
Образующийся таким способом бор является техническим, поскольку загрязнен примесью оксида магния. Для его удаления полученный спек обрабатывают разбавленными кислотами, например, соляной кислотой:
MgO HCl = MgCl2 H2O
Б) Кристаллический бор особой чистоты:
термическое разложение гидридов бора:
B2H6 = 2B 3H2↑
термическое разложение галогенидов бора:
2BI3 = 2B I2↑
2BCl3 = 2B 6HCl
Водородные соединения бора. Способы получения. Строение. Химические свойства.
Несмотря на то, что бор с водородом непосредственно не взаимодействует, тем н менее для него известен многочисленный класс водородных соединений, для которых характерна сложная стехиометрия, разнообразные структуры, и которые характеризуются большим разнообразием химических реакций. Этот класс соединений получил названия бораны.
Особое место в этом классе соединений занимает диборан, поскольку он является исходным соединением для синтеза высших боранов.
Получение:
Способ Штока: разложение диборида магния разбавленной соляной кислотой:
Mg3B2 6HCl(разб) = 3MgCl2 B2H6↑
Восстановление тригалогенидов бора гидридом натрия при нагревании:
2BF3(г) 6NaH(тв) = B2H6↑ 6NaF
Восстановление тригалогенидов бора тетрагидридоалюминатом лития в эфирном растворе:
4BCl3 3Li[AlH4] = 2B2H6↑ 3LiCl 3AlCl3
Строение молекулы B2H6 по методу молекулярных орбиталей
Для описания связей в молекуле диборана предложена схема трехцентровой двухэлектронной связи B-H-B. В методе молекулярных орбиталей в результате динейной комбинации двух АО бора с АО водорода приводит к образованию трех МО типа σ: связывающей, несвязывающей и разрыхляющей. Напоминаю, что связывающая МО по энергии располагается ниже, чем исходные АО, а разрыхляющая – выше. Энергия несвязывающих МО близка по энергии исходным АО. Из рисунка видно, что пара электронов (один-от атома бора и второй от атома водорода) занимает σ-связывающую молекулярную орбиталь, создавая устойчивую мостиковую трехцентровую двухэлектронную связь B-H-B в боранах.
Стоит отметить, что химическая связь между атомами бора отсутствует!
Кислородные соединения бора. Способы получения. Химические свойства.
1. Оксид бора – B2O3
Получение:
Окисление бора кислородом воздуха:
4B 3O2 = 2B2O3 (t = 630 oC)
Дегидратация борной кислоты:
2B(OH)3 = B2O3 3H2O (t = 250 oC)
Окисление диборана кислородом воздуха:
B2H6 3O2 = B2O3 3H2O
B2O3 по химическим свойствам представляет собой кислотный оксид. Аморфный оксид бора взаимодействует с водой, а также растворяется в растворах щелочей и в концентрированной фтороводородной кислоте за счет протекания реакций комплексообразования:
B2O3 3H2O = 2B(OH)3
B2O3 2NaOH(разб) 3H2O = 2Na[B(OH)4]
B2O3 8HF(конц) = 2H[BF4] 3H2O
2. Борная кислота – B(OH)3
Получение:
Действие на аморфный бор концентрированной азотной кислотой:
B 3HNO3(конц) = B(OH)3 3NO2↑
B 3H2O — 3 
= B(OH)3 3H
NO3— 2H = NO2 H2
Замечание! Борная кислота является слабым электролитом, поэтому в полуреакциях записывается в молекулярном виде.
Действие на аморфный бор концентрированной (но не безводной) серной кислотой:
2B 3H2SO4(конц) = 2B(OH)3 3SO2
Необратимый гидролиз тригалогенидов бора:
BCl3 3H2O = B(OH)3 3HCl
Разложение буры в кислой среде:
Na2B4O7 2H2SO4(конц) 5H2O = 4B(OH)3 2NaHSO4
Взаимодействие аморфного бора с водой:
B2O3 3H2O = 2B(OH)3
Свойства.
Борная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество со сложной молекулярной структурой, обширными водородными связями. Формулу борной кислоты корректнее записывать в виде гидроксида бора, поскольку ни один из атомов водорода, входящих в состав молекулы борной кислоты, кислотных свойств не проявляет. Для того, чтобы объяснить кислотные свойства борной кислоты, рассмотрим вначале строение ее молекулы по методу валентных связей.
B0 [2He]2s22p1
B III [2He]2s02p0
Таким образом, атомные орбитали бора в молекуле борной кислоты находятся в состоянии sp2-гибридизации. Мы можем увидеть, что одна p-АО бора остается вакантной. Следовательно, в водном растворе, борная кислота может присоединять к себе молекулу воды с образованием нейтрального комплекса, который затем вступает в реакцию протолиза.
B(OH)
3
H
2
O ↔ [B(H
2
O)(OH)
3
]
[B(H2O)(OH)3] H2O ↔ [B(OH)4]— H3O
Кислотные свойства борной кислоты проявляются также в том, что в присутствии концентрированной серной кислоты со спиртами она образует сложные эфиры:
B(OH)3 3C2H5OH = B(C2H5O)3↑ 3H2O (H2SO4(конц))
Концентрированная серная кислота в данном случае выполняет роль водоотнимающего агента.
2B(C2H5O)3 10O2 = B2O3 4CO2 15H2O
Сложные эфиры борной кислоты являются летучими соединениями, при поджигании которых наблюдается окрашивание пламени в зеленый цвет. Данная химическая реакция является качественной на соединения бора.
3. Тетраборат натрия – Na2B4O7∙10H2O
Другим важным соединением бора является тетраборат натрия. В природе встречается в виде минерала буры — Na2B4O7∙10H2O. По данным РСА, в минерале содержатся четырехъядерные анионы [B4O5(OH)4]2-, в которых чередующиеся единицы BO4 и BO3 связаны общими вершинами. Исходя из этого, формулу буры корректнее записывать следующим образом: Na2[B4O5(OH)4]∙8H2O. Водный раствор тетрабората натрия вследствие протекания реакции гидролиза имеет щелочную среду:
Na
2
B
4
O
7
2H
2
O = 2Na
B
4
O
72-
∙2H
2
O
B4O72-∙2H2O 9H2O ↔ 4[B(H2O)(OH)3] 2OH—
Общая характеристика элементов iiia группы
От B к Tl (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств.
Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.
Оксид бора проявляется кислотные свойства, алюминий и галлий — типичные амфотерные элементы, у соединений индий и таллия преобладают основные свойства.
Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np1:
- B — 2s22p1
- Al — 3s23p1
- Ga — 4s24p1
- In — 5s25p1
- Tl — 6s26p1
Общие сведения о валентности кислорода
Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов 16O (99,76%), 17O (0,04%) и 18O (0,2%).
Наиболее устойчива двухатомная молекула кислорода O2. Она парамгнитна и слабо поляризуется. Температуры плавления (-218,9oС) и кипения (-183oС) кислорода очень низкие. Кислород плохо растворяется в воде. При нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета и запаха.
Жидкий и твердый кислород притягивается магнитом, т.к. его молекулы парамагнитны. Твердый кислород синего цвета, а жидкий – голубого. Окраска обусловлена взаимным влиянием молекул.
Кислород существует в виде двух аллотропных модификаций – кислорода O2 и озона O3.
Оксид бора
Оксид бора — вещество белого цвета, с низкой температурой плавления, может быть аморфным или кристаллическим, гигроскопичен, типичный кислотный оксид.
Оксид бора можно получить либо непосредственным взаимодействием бора с кислородом (при 600°С), либо обезвоживанием борной кислоты:
Аморфный оксид бора реагирует с водой с образованием борной (орто- борной) кислоты, с растворами щелочей, концентрированной фтороводородной кислотой, восстанавливается металлами:
Оксид бора (iii)
Оксид и гидроксид бора
Оксид и гидроксид бора (борная кислота) проявляют кислотные свойства.
B2O3 H2O → H3BO3 (борная кислота)
H3BO3 KOH → K2B4O7 H2O
Получение
Бор получают путем пиролиза бороводородов, методом металлотермии (вытеснением активным металлом) и термическим разложением бромида бора в
присутствии катализатора
B2H6 → (t) B H2
B2O3 Mg → MgO B
BBr3 H2 → (вольфрам, t = 1000-1200 С°) B HBr
Природные соединения
В природе бор встречается в виде минералов:
- Na2B4O7*10H2O — бура
- H3BO3 — сассолин