Составление структурных формул

В большинстве неорганических соединении существует ионная (или условно принимаемая за ионную) связь между элементами, основанная на притяжении разно­именных электрических зарядов. Одноименно заряженные элементарные ионы не могут быть связаны между собой. Все валентности должны быть полностью взаимо насы­щены. Каждая единица валентной связи обозначается черточкой между символами связанных между собой ионов. Структурные формулы являются в некоторых отношениях условными и, как правило, не отражают реальной геометрии молекул. Например, структурная фор­мула воды обычно пишется Н—О—Н, но современная наука нашла угол между направлениями валентных свя­зей между ионами кислорода и водорода (около 105º), обус­ловленный полярностью молекул воды. Поэтому графи­ческое начертание структурных формул может быть различным, но должно удовлетворять требованиям сим­метрии и удобства, а также основному требованию—чере­дованию положительных и отрицательных зарядов.

Пример 37. Составить структурные формулы выс­ших оксидов рубидия, стронция, галлия, германия, сурь­мы, селена, рения, осмия.

Решение

Руководствуясь положением данных элементов в периодической системе, составляем молекулярные формулы их оксидов по валентностям:

Rb₂O, SrO, Gа₂О₃, GeO₂, Sb₂O₅, Sb₂O₅, SeO₃, ReO₄, OsO₄.

Валентность кислорода в оксидах постоянная, равная (—2). Высшие положительные валентности элементов, образующих оксиды, равны номерам групп Периодической системы, в которых они находятся, и в нашем ряду воз­растают на единицу. Если число атомов (элементарных ионов) элемента в формуле равно двум, то нужно учи­тывать, что они будут связаны между собой через отри­цательно заряженный ион кислорода.

Выписываем символы элементов и обдумываем, как удобнее расположить вокруг них черточки, изображаю­щие валентности. Формулы можно написать так:

Пример 38. Составить структурные формулы гидроксидов цезия (+1); бария (+2), индия (+3), тита­на (+4).

Решение

Учитывая валентность гидроксильной группы (—1), пишем сначала молекулярные формулы этих гидратов: CsOH, Ва(ОН)₂, In(ОН)₃, Ti(OH)₄. Затем пишем символы элементов, обозначаем каждую единицу валентности чер­точкой и насыщаем ее ионом гидроксила - О-Н, следя за чередованием положительных и отрицательных заря­дов

Пример 39. Составить структурную формулу кис­лородных кислот: хлорноватистой HClO, фосфористой HPO₂, азотной HNO₃, селенистой H₂SeO₃, хромовой Н₂СгО₄, двуурановой Н₂U₂O₇, марганцовой HMnO₄, пирофосфорной H₄Р₂О₇.

Решение

Находим валентности элементов, образующих кислоты, и надписываем их над символами. Затем намечаем порядок расположения символов элементов в структурной формуле. Если имеется всего один атом элемента, даю­щего название кислоте, то сначала выписывают его, а затем постепенно насыщают все его валентности, сна­чала соединяя его с атомами водорода через кислородные атомы, а затем насыщают оставшиеся валентности кис­лородными атомами (см. формулы хлорноватистой, фос­фористой, азотной, хромовой и рениевой кислот).

Если же в формулу входят два атома элемента, об­разующего кислоту, то сначала соединяем их между собой через кислород, затем также через кислород припи­сываем атомы водорода поровну к каждому атому элемента, образовавшего кислоту, и, наконец, насыщаем его оставшиеся валентности кислородом (см. формулы двуурановой и пирофосфорной кислот). Обычно выписы­вают группы Н-О—налево от символа элемента, а груп­пы —О направо.

В составленных формулах проверяем чередование поло­жительных и отрицательных зарядов и полноту насыщения валентностей.

Пример 40. Составить структурные формулы сред­них солей: сульфата натрия, сульфата Fe(II), сульфата Fe(III).

Решение

Прежде всего, составляем молекулярные формулы, ус­танавливаем и подписываем над символами элементов величины и знаки их валентностей, затем берем в основу построения формулы ион элемента, образующего кислот­ный остаток, и насыщаем его валентности ионами металла, образующего соль, через ионы кислорода и затем насы­щаем оставшиеся валентности иона—кислотообразователя кислородом. Порядок построения формулы сульфата нат­рия и сульфата Fe(II) указан стрелками:

Порядок составления формулы сульфата Fe(III) несколько сложнее. Рекомендуется выписать налево столбиком друг под другом два иона железа, а направо, тоже столбиком, друг под другом два иона серы, затем связать между собой ионы железа и серы через ионы кислорода, учи­тывая, что шесть валентностей трех ионов кислорода распределяются поровну между тремя ионами серы, то есть на каждый ион серы придется по две валентности. Затем насытить оставшиеся валентности серы ионами кислорода. Проверить чередование зарядов и полное насыщение валент­ностей в полученной формуле.

Можно применить другой способ составления формулы. Сначала написать структурную формулу серной кислоты, затем замещать в ней символы водорода символами металлов, помня, что один ион одновалентного металла за­мещает один ион водорода, ион двухвалентного металла — два иона водорода и т. д. При составлении формулы суль­фата железа (III) следует написать формулу серной кислоты столбиком три раза одну под другой, а слева столбиком два раза символ железа, затем заменить ионы водорода ионами железа: за один ион железа три иона водорода — первые два — из верхней формулы, третий и четвертый — из средней, а пятый и шестой — из нижней.

Пример 41. Составить структурные формулы кислого сульфата (гидросульфата), среднего сульфата и основного сульфата (гидроксосульфата) цинка.

Решение

1. Гидросульфат. Составить молекулярную формулу, в которой две валентности иона цинка насыщены двумя одновалентными кислотными остатками HSO₄^-. Затем написать символ цинка, а справа от него два раза друг под другом структурные формулы серной кислоты. Далее заместить два водородных иона, по одному из каждой формулы, одним ионом цинка.

2. Средний сульфат. Формулу среднего сульфата цинка можно составить по аналогии с формулой среднего суль­фата железа (II), см. пример 40.

3. Гидроксосульфат. Составить молекулярную формулу гпдроксосульфата, в которой две валентности кислотного остатка SO₄^-2 насыщены двумя одновалентными остатками ZnOH⁺. Затем в структурной формуле cepной кислоты заменить два символа водорода развернутыми формулами остатка ZnOH⁺¹ в виде H—О—Zn—. Во всех случаях про­верить чередование положительных и отрицательных за­рядов и полноту насыщения валентностей.