Структурные формулы

В веществах (молекулярных, ионных, ковалентных, металлических) атомы связаны друг с другом в определённой последовательности, а между парами атомов (между химическими связями) имеются определённые углы. Всё это необходимо для характеристики веществ, так как от этого зависят их физические и химические свойства. Сведения о геометрии связей в веществах частично или полностью отражаются в структурных формулах. В этих формулах связь между атомами изображают чертой. Например,

H₂O изображают так: H-O-H; Hg₂Cl₂: Cl-Hg-Hg-Cl;

HNO₂: H-O-N=O.

При изображении структурных формул часто принимают, что электронная валентность совпадает со стехиометрической. Такие структурные формулы несут информацию о составе и порядке расположения атомов, но не содержат правильных сведений о связях.

Например, КNO₃:

O O

К-O-N К⁺ [ O-N ]^-

O O

(неправильно) (правильно)

здесьV _стх(N) = 5, однако V_ē (N) = 4.

Структурные формулы, построенные по стехиометрическим валентностям (V_стх), иногда называются графическими.

Соединения, в которых у всех элементов V_стх действительно совпадает с электронной валентностью (V ) называют простыми соединениями; к ним относятся только некоторые молекулярные соединения (например, CO₂, SO₂, SO₃, CH₄, ClF₃ и др.). Соединения, в которых это условие не выполняется, называются сложными. К ним относятся, например, все комплексные соединения, CO, H₂O₂, HNO₃ и др.

Большинство оксидов, кислот, оснований и солей существуют в виде твердых или жидких соединений с частично ионными связями или в виде растворов, в которых соединения диссоциированы на ионы, и которые, в свою очередь, гидратированы. Поэтому даже при совпадении V_стх и V графические формулы не соответствуют структуре, а носят формальный, условный характер, показывая как могли бы соединяться атомы, если бы вещество состояло из молекул, соответствующих формуле. Истинную структурную формулу можно изобразить лишь на основании исследования реальной структуры вещества – экспериментально или теоретически (см. раздел учебников химии “Химическая связь”).

При изображении структурных (графических) формул нужно выполнять следующие простые правила:

1. Число чёрточек, исходящих от каждого атома, равно его валентности (V_стх = V ₎.

2. В обычных кислотах и солях со сложным кислородсодержащим катионом атомы H и Me соединяются с кислотообразующим элементом через кислород

H-O-Э, Мe-О-Э.

3. Одинаковые атомы не соединяются между собой, не образуют гомоцепей, они соединяются через атомы неметалла: a) CrO₃; б) K₂O; в) Al₂S₃.

O K S

а) Cr; б) О, в) Al ¾ S ¾ Al или

O O K S

S

Al-S-Al

S.

Правила нарушаются в " сложных " соединениях; например, пероксо- и персульфо- соединениях:

K ¾ S K ¾ O

K₂S₂: ½: K₂O₂: ½.

K ¾ S K ¾ O

Некоторые кислоты и соли фосфора также являются сложными соединениями:

H O

| ç ç

Кислоты: H₃PO₂: H-O-P = O, H₃PO₃: H-O-P - O -H.

| ç

H H

Из структурной формулы Н₃РО₂ видно, что только один атом водорода соединен через кислород с фосфором, поэтому основность этой кислоты равна 1, а основность Н₃РО₃ - 2.

Пример 14. Изобразить структурную формулу K₂SO₄.

Решение. Определяем стехиометрические валентности атомов: V(K) = 1; V(S) = 6;

V(O) = 2. Изображаем структурную формулу, пользуясь правилами 1÷ 3:

K - O O Эта формула - графическая. На самом деле таких

S молекул не существует (К₂SО₄ – формульная единица с

K - O O ионной кристаллической решеткой твердого вещества).

Вприведенных примерах углы между связями взяты произвольно. Однако они также могут быть точно указаны и изображены.

Для графического изображения формул солей можно исходить из соответствующих формул кислот, заменяя в них атомы водорода на атомы металла с соблюдением правила валентности, т.е. один атом водорода заменяется одновалентным металлом, два - двухвалентным, три - трехвалентным и т.д. Например, графическое изображение формулы карбоната кальция (CaCO₃) можно представить так:

карбонат кальция - это средняя соль угольной кислоты H₂CO₃:

Н-О О

С=О Са С=О.

Н -О О

Пример 15. Изобразите графические формулы кислой соли гидросульфата натрия и основной соли карбоната гидроксожелеза (III).

Решение. При составлении графических формул солей нужно отчетливо представлять себе графические формулы кислотных и основных остатков. Кислую соль (NaHSO₄) можно представить как продукт замещения одного атома водорода в серной кислоте на атом натрия:

H-О O H-O O

S S

H-О O Na -O O.

Основную соль (FeOHCO₃) можно представить как продукт частичного замещения гидроксогрупп в основании Fe(OH)₃ на кислотный остаток угольной кислоты:

О ¾ H H-O O-H

Fe ¾ O ¾ H; C = O; Fe ¾ O

O ¾ H H-O C = O.

O