Лекција 3.4 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Валентни електрони:\[ \text{CH}_4: 4 + 4\cdot 1 = 8\text{ e}^- \]\[ \text{NH}_3: 5 + 3\cdot 1 = 8\text{ e}^- \]\[ \text{H}_2\text{O}: 6 + 2\cdot 1 = 8\text{ e}^- \]\[ \text{HF}: 7 + 1 = 8\text{ e}^- \]Стерички број:\[ \text{CH}_4: \text{SN} = 4 + 0 = 4 \Rightarrow \text{тетраедар},\; 109,5^\circ \]\[ \text{NH}_3: \text{SN} = 3 + 1 = 4 \Rightarrow \text{тригонална пирамида},\; 107^\circ \]\[ \text{H}_2\text{O}: \text{SN} = 2 + 2 = 4 \Rightarrow \text{савијен},\; 104,5^\circ \]\[ \text{HF}: \text{двоатомни} \Rightarrow \text{линеаран} \]Нацртати четири структурне формуле једну поред друге, са обележеним слободним електронским паровима и просторним распоредом веза. 1) \( \text{CH}_4 \): угљеник у средини, четири везе ка водоницима у тетраедарском распореду (две везе у равни хартије, једна пуним клином ка посматрачу, једна испрекиданим клином од посматрача), угао \( 109,5^\circ \). 2) \( \text{NH}_3 \): азот на врху пирамиде, три везе ка водоницима (једна у равни, једна пуним клином, једна испрекиданим клином), један слободан електронски пар (две тачке) изнад азота, угао \( 107^\circ \). 3) \( \text{H}_2\text{O} \): кисеоник у темену, две косе везе ка водоницима у облику слова V, угао \( 104,5^\circ \), два слободна електронска пара (по две тачке) изнад кисеоника. 4) \( \text{HF} \): водоник и флуор повезани једном правом цртом \( \text{H}-\ddot{\text{F}}: \), на флуору три слободна електронска пара.

Детаљно решење

Корак 1: Хидриди неметала 2. периоде

Неметали 2. периоде су угљеник, азот, кисеоник и флуор (14–17. група). Њихови хидриди су \( \text{CH}_4 \), \( \text{NH}_3 \), \( \text{H}_2\text{O} \) и \( \text{HF} \). То су ковалентни хидриди, па сабирамо валентне електроне свих атома. \[ \text{CH}_4:\; 4 + 4\cdot 1 = 8\text{ e}^- \] \[ \text{NH}_3:\; 5 + 3\cdot 1 = 8\text{ e}^- \] \[ \text{H}_2\text{O}:\; 6 + 2\cdot 1 = 8\text{ e}^- \] \[ \text{HF}:\; 7 + 1 = 8\text{ e}^- \]

Корак 2: Луисове структуре и стерички број

Водоник је увек периферни атом и везује се једним електронским паром. Преостале електроне распоређујемо као слободне парове на централни атом. Стерички број је збир броја везаних атома и броја слободних парова на централном атому. \[ \text{CH}_4:\; 4 \text{ везе},\; 0 \text{ слободних парова} \Rightarrow \text{SN} = 4 + 0 = 4 \] \[ \text{NH}_3:\; 3 \text{ везе},\; 1 \text{ слободан пар} \Rightarrow \text{SN} = 3 + 1 = 4 \] \[ \text{H}_2\text{O}:\; 2 \text{ везе},\; 2 \text{ слободна пара} \Rightarrow \text{SN} = 2 + 2 = 4 \] \[ \text{HF}:\; 1 \text{ веза},\; 3 \text{ слободна пара на F} \]

Корак 3: Геометрија молекула (VSEPR)

Код \( \text{CH}_4 \), \( \text{NH}_3 \) и \( \text{H}_2\text{O} \) је \( \text{SN} = 4 \), па су електронски парови распоређени тетраедарски. Облик молекула зависи од броја слободних парова: - \( \text{CH}_4 \): 0 слободних парова, тетраедарски облик, угао \( \approx 109,5^\circ \). - \( \text{NH}_3 \): 1 слободан пар, тригонално-пирамидалан облик, угао \( \approx 107^\circ \). - \( \text{H}_2\text{O} \): 2 слободна пара, савијен (угаони) облик, угао \( \approx 104,5^\circ \). - \( \text{HF} \): двоатомни молекул, линеаран облик.

Корак 4: Цртеж

Нацртати четири структурне формуле једну поред друге, са обележеним слободним електронским паровима и просторним распоредом веза. 1) \( \text{CH}_4 \): угљеник у средини, четири везе ка водоницима у тетраедарском распореду (две везе у равни хартије, једна пуним клином ка посматрачу, једна испрекиданим клином од посматрача), угао \( 109,5^\circ \). 2) \( \text{NH}_3 \): азот на врху пирамиде, три везе ка водоницима (једна у равни, једна пуним клином, једна испрекиданим клином), један слободан електронски пар (две тачке) изнад азота, угао \( 107^\circ \). 3) \( \text{H}_2\text{O} \): кисеоник у темену, две косе везе ка водоницима у облику слова V, угао \( 104,5^\circ \), два слободна електронска пара (по две тачке) изнад кисеоника. 4) \( \text{HF} \): водоник и флуор повезани једном правом цртом \( \text{H}-\ddot{\text{F}}: \), на флуору три слободна електронска пара. Бор је металоид, а његов хидрид (диборан \( \text{B}_2\text{H}_6 \)) не спада у хидриде неметала, па га овде не цртамо.

Кратак запис решења:

\[ \text{CH}_4: 4+4=8\text{ e}^-,\; \text{SN}=4+0=4 \Rightarrow \text{тетраедар} \] \[ \text{NH}_3: 5+3=8\text{ e}^-,\; \text{SN}=3+1=4 \Rightarrow \text{пирамида} \] \[ \text{H}_2\text{O}: 6+2=8\text{ e}^-,\; \text{SN}=2+2=4 \Rightarrow \text{савијен} \] \[ \text{HF}: 7+1=8\text{ e}^- \Rightarrow \text{линеаран} \]

Најважније из лекције

Подела према вези: Јонски (метали 1. и 2. групе, садрже \(\text{H}^-\)), ковалентни (неметали и металоиди \(p\)-блока) и метални хидриди (\(d\)- и \(f\)-блок).
Реакција јонских хидрида с водом: \(\text{MH}_x + x\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{M(OH)}_x + x\text{H}_2\uparrow\) (реакцијом настају база и водоник).
Тренд у периоди (од 13. до 17. групе): Базност опада, а киселост расте:
Неутрални (\(\text{CH}_4, \text{SiH}_4\)) \(\rightarrow\) Базни (\(\text{NH}_3, \text{PH}_3\)) \(\rightarrow\) Амфотерни (\(\text{H}_2\text{O}\)) \(\rightarrow\) Кисели (\(\text{H}_2\text{S}, \text{HCl}, \text{HBr}\)).
Хидриди су бинарна једињења водоника са другим хемијским елементима. Према природи хемијске везе деле се на:
  • Јонски хидриди: Граде их изразити метали 1. и 2. групе Периодног система елемената (изузеци су \(\text{BeH}_2\) и \(\text{MgH}_2\)).
  • Ковалентни хидриди: Граде их претежно елементи \(p\)-блока (неметали и металоиди од 13. до 17. групе).
  • Метални хидриди: Граде их прелазни метали \(d\)- и \(f\)-блока. Често немају сталан стехиометријски састав и по особинама подсећају на легуре.
Којој групи хидрида према типу хемијске везе припадају \(\text{KH}\), \(\text{NH}_3\) и \(\text{TiH}_{1{,}7}\)?
\(\text{KH}\) је јонски хидрид (метал 1. групе), \(\text{NH}_3\) је ковалентни хидрид (неметал \(p\)-блока), а \(\text{TiH}_{1{,}7}\) је метални хидрид (прелазни метал \(d\)-блока несталног састава).
У јонским хидридима водоник се налази у облику хидридног јона (\(\text{H}^-\)) са оксидационим бројем \(-1\). Због тога ови хидриди испољавају изразита базна и редукциона својства.
Реакцијом јонских хидрида са водом настају одговарајући хидроксид метала и гасовити водоник: \[ \text{Li}\overset{-1}{\text{H}} + \overset{+1}{\text{H}_2}\text{O} \longrightarrow \text{LiOH} + \overset{0}{\text{H}_2}\uparrow \] \[ \text{Ca}\overset{-1}{\text{H}_2} + 2\overset{+1}{\text{H}_2}\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 + 2\overset{0}{\text{H}_2}\uparrow \]
Реакција литијум-хидрида (\(\text{LiH}\)) и калцијум-хидрида (\(\text{CaH}_2\)) са водом одвија се веома брзо и квантитативно, па се ови хидриди користе као поуздан извор водоника за подизање терета (балона) на бродовима.
Одреди оксидационе бројеве свих атома у реакцији натријум-хидрида са водом: \[ \text{NaH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{NaOH} + \text{H}_2 \]
У \(\text{NaH}\): \(\text{Na}^{+1}\), \(\text{H}^{-1}\).
У \(\text{H}_2\text{O}\): \(\text{H}^{+1}\), \(\text{O}^{-2}\).
У \(\text{NaOH}\): \(\text{Na}^{+1}\), \(\text{O}^{-2}\), \(\text{H}^{+1}\).
У \(\text{H}_2\): \(\text{H}^{0}\).
Идући с лева на десно у периоди (од 13. до 17. групе), расте електронегативност централног атома и поларност ковалентне везе са водоником. Киселинско-базна својства се мењају тако што опада базни, а расте кисели карактер хидрида.
Карактер Група Примери хидрида Понашање и узрок
Неутрални 13. и 14. \(\text{B}_2\text{H}_6\) (диборан), \(\text{CH}_4\) (метан), \(\text{SiH}_4\) (силан) Не реагују са водом, киселинама нити базама.
Базни 15. \(\text{NH}_3\) (амонијак), \(\text{PH}_3\) (фосфин) Имају слободан електронски пар на централном атому; понашају се као акцептори протона (\(\text{H}^+\)).
Амфотерни 16. \(\text{H}_2\text{O}\) (вода) Може и да прими и да отпусти протон (понаша се и као киселина и као база).
Кисели 16. и 17. \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{HF}\), \(\text{HCl}\), \(\text{HBr}\), \(\text{HI}\) Лако отпуштају протон молекулу воде; понашају се као донори протона (\(\text{H}^+\)).
Поређај следеће хидриде према растућој киселости: \(\text{CH}_4\), \(\text{HCl}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{H}_2\text{S}\).
\(\text{NH}_3\) (базан) < \(\text{CH}_4\) (неутралан) < \(\text{H}_2\text{S}\) (слабо кисео) < \(\text{HCl}\) (изразито кисео).
Водени раствори ковалентних хидрида задржавају киселинско-базна својства чистих хидрида услед преноса протона са или на молекул воде.
Протолитичка дисоцијација базних и киселих хидрида: \[ \underset{\text{база}}{\text{NH}_3} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \quad (\text{базна реакција}) \] \[ \underset{\text{киселина}}{\text{HCl}} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \quad (\text{кисела реакција}) \] \[ \underset{\text{киселина}}{\text{H}_2\text{S}} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{HS}^- \quad (\text{кисела реакција}) \]
Дејство на индикаторе: Киселинско-базни индикатор метил-оранж у воденом раствору амонијака поприма жуту боју (базна средина, вишак \(\text{OH}^-\) јона), док у раствору хлороводоника поприма црвену боју (кисела средина, вишак \(\text{H}_3\text{O}^+\) јона).
Зашто се амонијак у води понаша као Бренстедова база?
Зато што атом азота у молекулу \(\text{NH}_3\) поседује слободан електронски пар помоћу којег везује протон (\(\text{H}^+\)) из молекула воде, чиме делује као акцептор протона.

Задаци за вежбање

Лак: Која група у Периодном систему елемената гради изразито базне јонске хидриде, а која група гради изразито киселе хидриде?
Изразито базне јонске хидриде граде алкални метали (1. група) и земноалкални метали (2. група). Изразито киселе ковалентне хидриде граде халогени елементи (17. група).
Средњи: Напиши једначину хемијске реакције калијум-хидрида са водом. Објасни зашто је добијени раствор базан и који се гас ослобађа.
Једначина реакције: \[ \text{KH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{KOH} + \text{H}_2\uparrow \] Раствор показује базну реакцију због настанка јаке базе – калијум-хидроксида (\(\text{KOH}\)), а из реакционе смеше ослобађа се гасовити водоник (\(\text{H}_2\)).
Тежак: За хидриде елемената 3. периоде: \(\text{NaH}\), \(\text{MgH}_2\), \(\text{SiH}_4\), \(\text{PH}_3\), \(\text{H}_2\text{S}\) и \(\text{HCl}\):
а) Одреди тип хемијске везе за сваки хидрид.
б) Опиши промену киселинско-базних својстава дуж ове серије једињења.
а) Тип везе:
  • \(\text{NaH}\) – јонска веза
  • \(\text{MgH}_2\) – веза са претежно јонским карактером / изузетак међу земноалкалним хидридима
  • \(\text{SiH}_4, \text{PH}_3, \text{H}_2\text{S}, \text{HCl}\) – поларне ковалентне везе
б) Тренд киселинско-базних својстава:
\(\text{NaH}\) је изразито базан хидрид. Идући с лева на десно: \(\text{SiH}_4\) је неутралан хидрид, \(\text{PH}_3\) показује слаба базна својства (акцептор протона), \(\text{H}_2\text{S}\) је слаба киселина, док је \(\text{HCl}\) врло јака киселина (изразит донор протона). Дакле, базни карактер опада, а кисели карактер расте.

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: