Какие электроны атомов азота и фосфора участвуют в образовании химических связей с атомами водорода?...

Атомы азота и фосфора, как и другие элементы группы 15 периодической таблицы, имеют несколько уровней электронной оболочки и, соответственно, различное количество валентных электронов, которые участвуют в образовании химических связей.

Электроны, участвующие в образовании связей

Азот (N):

• Азот имеет 5 валентных электронов: 2 на первом уровне (1s²) и 3 на втором (2s² 2p³).
• Для образования химических связей с водородом, азот использует свои три непарные валентные электрона из 2p-орбиталей.
• В результате, азот может образовать три ковалентные связи с водородом, формируя молекулу аммиака (NH₃).

Фосфор (P):

• Фосфор также имеет 5 валентных электронов: 2 на первом уровне (1s²), 2 на втором (2s² 2p⁶) и 1 на третьем (3s² 3p³).
• В отличие от азота, фосфор может использовать свои валентные электроны более гибко. Он может образовать три ковалентные связи с водородом (например, в молекуле фосфина, PH₃), используя три непарные электрона из 3p-орбиталей.
• Также фосфор может образовывать дополнительные связи за счет использования не задействованных d-орбиталей, что позволяет ему образовывать более сложные молекулы, например, с повышенной валентностью (например, PCl₅).

Количество ковалентных связей

• Азот может образовать до 3 ковалентных связей с другими атомами.
• Фосфор в основном образует до 3 ковалентных связей в простых соединениях, но может также участвовать в образовании большего числа связей в более сложных химических структурах (до 5 и более).

Смещение общих электронных пар

При образовании ковалентных связей наблюдается полярность, обусловленная разницей в электроотрицательности между атомами. В случае водорода и азота/фосфора:

• Азот имеет более высокую электроотрицательность (3.0 по шкале Полинга), чем водород (2.1), что приводит к тому, что общие электронные пары в NH₃ смещаются в сторону атома азота, создавая частичный отрицательный заряд на нем и частичный положительный заряд на водородах. Это приводит к полярности молекулы с направлением диполя от водородов к азоту.

• Фосфор, имея меньшее значение электроотрицательности (2.1), чем азот, также будет привлекать общие электронные пары к себе, но менее выраженно, чем в случае с аммиаком. В PH₃ полярность молекулы будет менее выражена, и общие электронные пары также будут смещены в сторону атома фосфора, но в меньшей степени.

Таким образом, несмотря на то что оба элемента могут образовывать три ковалентные связи с водородом, различия в их электроотрицательности влияют на полярность образуемых молекул и направление смещения общих электронных пар.

Атомы азота (N) и фосфора (P) являются элементами пятой группы периодической таблицы и имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня, но находятся в разных периодах, что влияет на их химические свойства. Рассмотрим их особенности и поведение в химических связях:

Электронная конфигурация

1. Азот (N): Атом азота имеет электронную конфигурацию ( 1s^2 2s^2 2p^3 ). Во внешнем энергетическом уровне (втором) у азота есть 5 валентных электронов: 2 электрона в подуровне ( 2s ) и 3 неспаренных электрона в подуровне ( 2p ). Именно эти неспаренные ( 2p )-электроны участвуют в образовании химических связей.

2. Фосфор (P): Атом фосфора имеет электронную конфигурацию ( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3 ). У фосфора на внешнем энергетическом уровне (третьем) также 5 валентных электронов: 2 электрона в подуровне ( 3s ) и 3 неспаренных электрона в подуровне ( 3p ). Эти неспаренные ( 3p )-электроны участвуют в химических связях.

Образование ковалентных связей

1. Число возможных ковалентных связей:

   • Оба атома, азот и фосфор, могут образовывать три ковалентные связи за счёт своих трёх неспаренных валентных электронов. Например, в соединении ( NH_3 ) (аммиак) азот образует три связи с атомами водорода, а в ( PH_3 ) (фосфин) фосфор также образует три связи с атомами водорода.
   • Однако фосфор, находящийся в третьем периоде, имеет возможность использовать свои ( 3d )-орбитали для расширения октета (не ограничивается правилом октета). Поэтому фосфор может образовывать до пяти ковалентных связей, например, в соединении ( PCl_5 ). Азот, находящийся во втором периоде, таких возможностей не имеет.

2. Смещение общих электронных пар:

   • В молекулах типа ( NH_3 ) и ( PH_3 ) общие электронные пары между атомами водорода и центральным атомом (азотом или фосфором) будут смещены в сторону более электроотрицательного элемента. Поскольку электроотрицательность азота (3,04 по шкале Полинга) выше, чем у водорода (2,20), электронная плотность в связях ( N-H ) будет смещаться в сторону атома азота.
   • Для фосфора (электроотрицательность 2,19) ситуация несколько иная: электроотрицательность фосфора практически равна электроотрицательности водорода, поэтому смещение электронной плотности в связях ( P-H ) будет минимальным.

Обобщение:

• Какие электроны участвуют в связывании?: Неспаренные ( p )-электроны внешнего энергетического уровня (( 2p ) для азота и ( 3p ) для фосфора).
• Число ковалентных связей:
  • Азот: максимум 3 ковалентные связи (без возможности расширения октета).
  • Фосфор: обычно 3, но может образовывать до 5 ковалентных связей благодаря ( d )-орбиталям.
• Смещение общих электронных пар:
  • В молекулах ( N-H ): в сторону атома азота (более электроотрицателен).
  • В молекулах ( P-H ): смещение минимально, так как электроотрицательности фосфора и водорода близки.