ГДЗ по химии, 10 класс, Еремин, номер 13.6: Предмет и значение органической химии

Рассмотрим типичные элементы: азот (N) из второго периода и фосфор (P) из третьего периода (или кислород O и сера S).

• Азот (Z=7): Электронная формула 1s²2s²2p³. Валентные электроны находятся на втором энергетическом уровне (n=2).
• Фосфор (Z=15): Электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p³. Валентные электроны находятся на третьем энергетическом уровне (n=3).

У элементов третьего периода валентные электроны расположены дальше от ядра, так как заполняется более высокий энергетический уровень. Это приводит к увеличению атомного радиуса.

Энергия ковалентной связи зависит от эффективности перекрывания орбиталей двух атомов.

• У элементов второго периода (кроме углерода, который имеет особую способность к образованию прочных связей за счет малого размера и высокой энергии гибридизации, но в контексте сравнения с аналогами ниже по группе мы часто видим парадокс для N-N или O-O из-за отталкивания неподеленных пар, однако общий тренд для связи с водородом или галогенами иной). Примечание: Вопрос сформулирован специфически. Обычно связь C-C прочнее Si-Si, N-N слабее P-P? Нет, обычно связь E-H прочнее у верхних элементов. Давайте внимательно прочитаем условие: "энергия связи между атомами элементов... меньше, чем у аналогов из третьего периода".

Здесь важно уточнить, о какой именно связи идет речь. Если сравнивать одинарные связи между одноименными атомами (E-E), то действительно:

• Связь N-N (в гидразине) имеет энергию 160/кДж/моль.
• Связь P-P (в белом фосфоре) имеет энергию 200/кДж/моль.
• Связь O-O (в пероксидах) имеет энергию 140/кДж/моль.
• Связь S-S имеет энергию 226/кДж/моль.

Почему так происходит? У элементов второго периода (N,O,F) атомные радиусы очень малы. При образовании одинарной связи E-E неподеленные электронные пары соседних атомов оказываются слишком близко друг к другу. Возникает сильное электростатическое отталкивание между этими парами, что дестабилизирует молекулу и снижает общую энергию связи.

У аналогов из третьего периода (P,S,Cl) атомные радиусы больше. Неподеленные пары находятся дальше друг от друга, отталкивание ослабевает, и связь становится устойчивее (энергия связи выше).

В условии сказано «кроме углерода». Связь C-C (348/кДж/моль) значительно прочнее связи Si-Si (226/кДж/моль). Почему?

• Углерод способен образовывать не только одинарные, но и кратные связи (C=C, C≠C), а также эффективно перекрывать свои компактные 2p-орбитали без сильного отталкивания неподеленных пар, так как у него нет избыточных неподеленных пар в валентном состоянии при стандартной валентности IV (все электроны участвуют в связях или делокализованы).
• Кремний (Si) имеет большие размеры, его 3p-орбитали диффузны и плохо перекрываются, образуя слабые τ-связи, поэтому он предпочитает одинарные связи, которые, однако, слабее связей углерода из-за большего расстояния между ядрами.

Таким образом, для элементов группы VA (N vs P) и VIA (O vs S) меньший размер атомов второго периода приводит к сильному отталкиванию неподеленных электронных пар в одинарных связях E-E, что делает эти связи менее прочными (меньшая энергия диссоциации), чем у их аналогов из третьего периода, где отталкивание слабее.