Названия бинарных ковалентных соединении. Так много формул и так мало времени. Электронно-ючечная формула для воды
Бинарными называются соединения, состоящие только из двух элементов, например диоксид углерода (CO2). Чтобы указать количество атомов каждого неметалла, входящего в соединение, в названиях бинарных соединений используются префиксы. В табл. 7.1 перечислены самые распространенные приставки для бинарных ковалентных соединений1.
Таблица 7.1. Самые распространенные приставки для бинарных ковалентных соединений
Названия бинарных ковалентных соединении. Так много формул и так мало времени
Количество атомов
Приставка
1
моно
2
ди
3
три
4
тетра
5
пента
6
гекса
7
гепта
8
окта
9
нано
10
дека
Обычно приставка моно используется редко. Одним из немногих соединений, в названии которого она используется, является монооксид углерода.
Ниже приведены примеры использования приставок в названиях бинарных ковалентных соединений (для удобства приставки выделены полужирным шрифтом).
CO2 диоксид углерода
P4O10 декоксид тетрафосфора (обратите внимание на то, что следует избегать использования буквы «а» или «о» перед названием оксида, поэтому в приставке слова декаоксид буква «а» обычно пропускается)
SO3 триоксид серы
N2O4 тетроксид диазота
Такая система названий применяется только к бинарным неметаллическими соединениям. Единственным исключением является MnO2, который обычно называется диоксидом марганца.
Так много формул и так мало времени
В главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи», уже рассматривалось, как можно предсказать формулу ионного соединения, зная количество электронов на внешнем энергетическом уровне атомов, образующих соединение (т. е. сколько электронов каждый атом должен отдать или принять, чтобы достичь конфигурации какого-либо инертного газа). Например, вы можете предсказать формулу соли, которая получится в результате реакции взаимодействия кальция с хлором — CaCl2. Что же касается ковалентных соединений, то для них подобный прогноз на самом деле сделать нельзя. Дело в том, что ковалентные соединения могут образовываться самыми разными способами и в результате реакции возможно появление различных соединений.
Как правило, для изучения свойств какой-либо молекулы необходимо знать ее формулу. Однако можно использовать несколько разных видов формул, каждый из которых предоставляет различную информацию.
Эмпирическая формула: только элементы
В эмпирической формуле указываются элементы, из которых состоит молекула, а также их наименьшее целочисленное соотношение (в виде нижних индексов). Например, у вас есть соединение с эмпирической формулой C2H6O. Это соединение состоит из атомов трех элементов (C, H и O), причем на два атома углерода приходится шесть атомов водорода и один атом кислорода. Таким образом, истинной, или молекулярной, формулой этого соединения может быть C2H6O, C4H12O2, C6H18O3, C8H24O4 или другая формула с соотношением, кратным
2:6:1.
Молекулярная (истинная) формула: что скрывается за числами
Молекулярная, или истинная, формула указывает, из каких атомов состоит соединение и в каких количествах эти атомы в нем находятся. Например, эмпирическая формула C2H6O может соответствовать молекулярной, т. е. соединение действительно состоит из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома кислорода.
Как правило, для ионных соединений одной молекулярной формуле соответствует одно соединение, но для характеристики соединений с ковалентной связью оказывается недостаточно лишь молекулярной формулы. Посмотрите на формулы Льюиса (рис. 7.5). Каждое из двух соединений имеет одинаковую молекулярную формулу — C2H6O.
Каждое из двух соединений, показанных на рис. 7.5, имеет два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Различие заключается в том, каким образом связаны атомы
каждого соединения. На самом деле это два абсолютно разных соединения, имеющие различные свойства. Соединение, показанное слева, называется диметиловым эфиром. Оно используется в некоторых холодильных установках и является довольно огнеопасным. Соединение, показанное справа, называется этиловым спиртом и представляет собой одноатомный спирт, используемый в качестве исходного вещества в современной промышленности органического синтеза, а также при изготовлении алкогольных напитков. Чтобы различить эти два соединения, недостаточно знать их молекулярную формулу. Представьте себе ситуацию, когда в ресторане вы заказываете сто граммов C2H6O, а вместо водки получаете диметиловый эфир!
Чем проще, тем лучше
В основном правило октетов применимо к большинству молекул: каждый атом стремится заполнить свой внешний энергетический уровень до восьми электронов. Впрочем, как и большинство правил, правило октетов имеет исключения. Например, в состав некоторых стабильных молекул могут входить атомы, которые имеют всего 6 электронов на внешнем энергетическом уровне либо даже 10 или 12 электронов. Примеры некоторых соединений, в которых нарушается правило октетов, приводятся в разделе «Какова пространственная структура воды? Теория VSEPR» далее в главе. Однако в настоящей книге основное внимание уделяется соединениям, в которых это правило соблюдается. Я достаточно строго придерживаюсь принципа СП (сделай проще). А вот химики-органики довольно часто используют электронно-точечные формулы, чтобы объяснить, почему некоторые соединения вступают в реакции так, а не иначе. Кроме того, эти формулы являются первым шагом в определении геометрии молекулы того или иного соединения.
Соединения, обладающие одним и тем же качественным и количественным составом, но разными свойствами, называются изомерами.
Чтобы точно определить ковалентное соединение, нужна его структурная формула.
Структурная формула: добавьте схему связей
Чтобы формула соответствовала определенному соединению, в большинстве случаев следует использовать не молекулярную, а структурную формулу. Структурная формула показывает элементы, входящие в соединение, точное количество атомов каждого элемента, а также схему связей этого соединения. Примерами структурных формул являются электронно-точечная формула и формула Льюиса.
Электронно-ючечная формула для воды
Ниже приведена последовательность действий, в которой на примере простой молекулы воды указаны некоторые общие принципы и правила, которых следует придерживаться при написании электронно-точечной формулы.
1. С помощью символов элементов напишите каркасную структуру, которая показывает вполне логичную схему связей.
Часто большинство атомов соединения располагаются вокруг какого-то одного атома. Он называется центральным атомом. Атомы водорода и галогенов бывают центральными крайне редко. Чаще всего в качестве центральных выступают атомы углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода и серы, так как при комплектовании их валентного энергетического уровня образуется несколько ковалентных связей. Что касается воды (H2O), то для нее центральным является атом кислорода, с которым связаны атомы водорода. Ниже показана соответствующая схема связей.
OH
H
Причем абсолютно неважно, где именно будут находиться атомы водорода относительно атома кислорода. Далее в главе, в разделе «Какова пространственная структура воды? Теория VSEPR», будет показано, почему атомы водорода располагаются по отношению друг к другу под углом 90°. Однако при написании электронно-точечных формул (или формул Льюиса) это не имеет значения.
2. Поместите валентные электроны всех атомов в электронный горшок.
Каждый атом водорода имеет по одному электрону, атом кислорода — шесть валентных электронов (поскольку входит в группу VIA), так что в электронном горшке окажется восемь электронов. Эти электроны используются для образования связей, а также для комплектования октета каждого атома.
3. Вычислите количество связей в молекуле с помощью формулы N – A = S.
Здесь N — сумма валентных электронов, соответствующих завершенному внешнему энергетическому уровню входящих в соединение атомов; это число может принимать только два значения: 2 или 8; для атома водорода оно равно 2, для всех остальных атомов — 8;
A — сумма валентных электронов, имеющихся в каждом атоме. Если требуется найти структуру иона, то для аниона следует добавлять один электрон за каждую единицу отрицательного заряда, а для катиона — наоборот, отнимать по электрону за каждую единицу положительного заряда; другими словами, A — это количество валентных электронов в электронном горшке;
* — количество электронов, совместно используемых в молекуле; если * разделить на 2, то получится количество ковалентных связей, имеющихся в молекуле.
Таким образом, для воды имеем:
N = 8 + 2×2 = 12 (восемь валентных электронов для атома кислорода плюс по два на каждый из двух атомов водорода);
A = 6 + 2×1 = 8 (шесть валентных электронов для атома кислорода плюс по одному на каждый из двух атомов водорода);
* = 12 – 8 = 4 (четыре электрона, совместно используемые в молекуле воды); S/2 = 4/2 = 2 связи.
Теперь вы знаете, что в молекуле воды имеется две связи (две совместно используемые, или общие, электронные пары).
4. Распределите электроны из электронного горшка с учетом связей.
Итак, мы нашли применение четырем электронам из восьми, находящихся в горшке. Таким образом, для дальнейшего распределения остается еще четыре электрона. Между центральным атомом и атомами, которые его окружают, должна существовать хотя бы одна связь.
5. Распределите оставшиеся электроны (обычно по парам) таким образом, чтобы каждый атом имел полный октет электронов.
Не забывайте, что водороду для заполнения валентного энергетического уровня нужно всего два электрона. Поскольку у каждого атома водорода уже есть по два электрона, а у атома кислорода их только четыре, значит, четыре оставшихся электрона нужно разместить вокруг атома кислорода. Наконец-то электронный горшок пустеет. Электронно-точечная формула для воды приведена на рис. 7.6.
Обратите внимание, что в этой структурной формуле на самом деле показаны электроны двух видов: связывающие, т.е. совместно используемые двумя атомами, и несвязывающие, т.е. не находящиеся в совместном использовании. Последние четыре электрона (две электронные пары), размещенные вокруг атома кислорода, не являются совместно используемыми, значит, они несвязывающие.
Формула Льюиса для воды
Чтобы написать формулу Льюиса для воды, необходимо всего лишь заменить черточкой каждую связывающую пару электронов. Структурная формула Льюиса для воды приведена на рис. 7.7.
Формула Льюиса для CHO
В качестве примера составим более сложную формулу Льюиса для C2H4O. Структура этого соединения показана ниже.
Обратите внимание на то, что в этом соединении имеется не один, а два центральных атома — два атома углерода. В электронный горшок нужно поместить 18 валентных электронов: по четыре из каждого атома углерода, по два из каждого атома водорода и шесть из атома кислорода.
Теперь необходимо вычислить формулу N – A = S:
N = 2×8 + 4×2 + 8 = 32 (два атома углерода, имеющих по восемь валентных электронов каждый, плюс четыре атома водорода, имеющих по два валентных электрона каждый, и плюс один атом кислорода, имеющий восемь электронов);
A = 2×4 + 4×1 + 6 =18 (по четыре электрона на каждый из двух атомов углерода плюс один электрон на каждый из четырех атомов водорода и плюс шесть валентных электронов для атома кислорода);
S = 32 – 18 = 14;
S/2 = 14/2 = 7 связей.
Добавьте в структурную формулу одинарные связи между атомами углерода и водорода, между двумя атомами углерода, а также между атомом углерода и атомом кислорода. Получится шесть связей из семи.
Где должна находиться седьмая связь? Она не может быть между атомом углерода и атомом водорода, так как тогда валентный энергетический уровень водорода будет переполнен. Кроме того, она не может быть между двумя атомами углерода, поскольку в таком случае атом углерода, расположенный слева, будет иметь десять валентных электронов вместо восьми. Таким образом, единственное место, где может находиться двойная связь, — между атомом углерода и атомом кислорода. А четыре электрона, оставшиеся в горшке, необходимо разместить вокруг атома кислорода, так как во всех остальных атомах уже есть полный октет. Электронно-точечная формула для уксусного альдегида (C2H4O) показана на рис. 7.8.
Заменив связывающие пары черточками, вы получите для C2H4O формулу Льюиса
(рис. 7.9).
С помощью формулы Льюиса можно показать большое количество информации, не указывая все эти маленькие точки. Впрочем, как и электронно-точечная формула, она достаточно громоздкая. Иногда химики (которые обычно довольно ленивы) показывают схемы связей с помощью сжатых структурных формул. В этих формулах не отображаются несвязанные электроны, а атомы записываются в группы, причем некоторые черточки, обозначающие ко-валентные связи, не указываются. Две сжатые формулы для C2H4O приведены на рис. 7.10.