Общая химия. Теория и задачи под ред. Н. В. Коровина и Н. В. Кулешова, страница 10

2.9).Если у атома, вступающего в химическую связь, навнешней оболочке имеются один s и два рэлектрона, топроисходит sp2гибридизация АО орбиталей этого атома(рис. 2.10).У атома, имеющего на внешней оболочке один s и трирэлектрона, при химическом взаимодействии происходитsp3гибридизация этих АО (рис. 2.11).Возможны также более сложные виды гибридизациис участием d и fорбиталей атомов (табл.

2.2).Рис. 2.9Схема spгибридизацииРис. 2.10Схема sp2гибридизации61ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬРис. 2.11Схема sp3гибридизации1 2 3 4 5 6 2 789871234526745897763726793532439797126975267336536372643979739481292439797712345367891888886782363678918888846 89!128"#8$%"#88258&6 68!18'()*#+,882363678-2.26/2 68!828918(08816 8!18$28'$32+,852548 38528 3682283482-2 3678-26458869376834.

44336/28.66/2843&88.63&433678:9:684 23432782;64788.2&4 43358&86-2<483=2:6<2248Как видно из данных рисунков 2.9–2.11, одинаковыегибридные облака обладают пространственной симметрией, наличие которой снижает энергию отталкивания электронов друг от друга и соответственно энергию молекул.Пространственная конфигурация молекул. Пространственная структура молекул определяется числом атомовв молекуле и числом электронных пар связей за счет неподеленных электронов.Молекула, образованная двумя атомами, линейна. Если на внешней оболочке атома имеются два неспаренных62ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИрэлектрона, то при перекрывании их АО орбиталями двухдругих атомов образуются угловые молекулы.К таким атомам относятся атомы рэлементов VI группы (О, S, Se, Те). Две АО неспаренных рэлектронов в атоме этих элементов расположены перпендикулярно друг кдругу, поэтому угол в плоских молекулах, например Н2S,Н2Sе и Н2Те близок к 90°.

Вследствие отталкивания электронов валентный угол между связями в молекулах может быть несколько выше 90° (рис. 2.12). В молекуле водыН2О угол между связями значительно больше 90° и равен104,5° (рис. 2.12).Такую структуру молекулы воды можно объяснить,если принять, что происходит sр3гибридизация АО кислорода (рис. 2.13а), расположенных тетраэдрически в околоядерном пространстве. При этом две гибридные орбитали перекрываются орбиталями водорода, а на двух оставРис. 2.12Валентные углы молекул H2S и Н2ОРис.

2.13Пространственная структура молекул:а — Н2О; б — NН3.ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ63шихся находятся неподеленные пары электронов, которые влияют на величину валентного угла. Силы отталкивания между неподеленными электронными парами больше, чем между локализованными электронными парами,образующими связь — связывающими парами, поэтомуугол уменьшается от 109°29¢ (характерного для тетраэдрических структур) до 104,5°.Соединения рэлементов V группы типа АВ3 (РН3, РСl3,АsВr3 и др.) имеют пирамидальную конфигурацию.

Атомы этих элементов имеют на внешних оболочках три неспаренных электрона, атомные орбитали которых расположены в пространстве под углом, близким или равным 90°.При образовании трех химических связей при перекрывании АО азота орбиталями водорода возникает пирамидальная структура, с валентными углами 108° (рис.2.13б). Такое значение валентного угла можно объяснить,если принять, что происходит sp3гибридизация АО азота.

Три гибридные орбитали перекрываются орбиталямиводорода, одна орбиталь занята неподеленной парой электронов азота. Изза отталкивания от этой пары электроновдругих пар угол между связями уменьшается от 109°29¢до 108° (рис. 2.13б).Гибридизация АО определяет пространственную конфигурацию молекул. Так, при spгибридизации центрального атома образуются линейные молекулы. Например,при взаимодействии бериллия, у которого при гибридизации АО на внешней оболочке оказываются две гибридныеspорбитали, с галогенами, например с хлором, образуется линейная структура (рис.

2.14 и 2.15а).Рис. 2.14Перекрывание рорбиталей хлорас двумя spорбиталями бериллия64ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИРис. 2.15Конфигурации молекул, обусловленных гибридизацией АО атомов:а — линейная; б — треугольная; в — тетраэдрическая; г — октаэдрическая.При sp2гибридизации центрального атома образуютсяплоские молекулы с валентными углами 120°. Например,у алюминия в возбужденном состоянии на внешнем энергетическом уровне имеются 3s и 3pнеспаренные электроны:При реакции происходит sp2гибридизация АО и образуется плоская треугольная молекула (рис. 2.15б).При sp3гибридизации центрального атома образуются пространственные тетраэдрические структуры с валентными углами 109°29¢.

Такую структуру, например имеют молекулы метана СН4, фторуглерода СF4 (рис. 2.15в).Возможны более сложные виды гибридизации и соответственно пространственные конфигурации молекул (см.табл. 2.2). Например, у серы происходит sp3d2гибридизация, которая приводит к октаэдрической конфигурациимолекул (рис. 2.15г).Полярность молекул. Полярность молекул определяется полярностью содержащихся в них связей, их числоми направленностью.Для количественной оценки полярности молекулыиспользуют величину mм — электрического момента ди2поля молекулы:mм = q × l,(2.2)где q — абсолютное значение элементарного заряда, равное1,6×10–19 Кл; l — расстояние между центрами зарядов (м).65ГЛАВА 2.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬЧем больше mм, тем полярнее молекула. Экспериментально установлено, что у большинства молекул дипольные моменты меньше рассчитанной по этой формуле величины, откуда следует, что реально существующие на атомах заряды обычно меньше одного элементарного заряда.Электрический момент диполя молекулы mм — вектор,равный векторной сумме электрических моментов ди2полей всех связей в молекуле:1 м 2 3 1 св .Молекула является неполярной, если 1 м 2 3 1 св 2 0.Векторную сумму определяют геометрическим сложением электрических моментов диполей связей по правилупараллелограмма сил: сумма длин двух векторов равнадлине диагонали параллеллограмма, построенного на них;при количестве связей больше двух сложение векторовследует производить последовательно по два вектора.Например, молекула СО2 (О=С=О) неполярна, хотя связи С=О полярны, так как происходит компенсация диполей О ¬ C ® O и суммарный электрический момент диполя молекулы равен нулю.Вследствие того, что суммарные электрические моменты диполей молекул с гибридизацией АО центрального атома, таких как ВеCl2 (spгибридизация), BF3 (sp2гибридизация), CH4 (sp3гибридизация), равны нулю, то эти молекулынеполярны.

Однако если с атомом, у которого происходитгибридизация АО, реагируют различные атомы, то молекула становится полярной. Например, молекула BF2Cl, в отличие от BF3, полярна. Электрические моменты диполейнекоторых молекул приведены в таблице 2.3.1 2 3 4 5 6 2 78971234567839473357233456234232342111234211112343248418492348456374565456464646483948284832483234828481464646436343646466ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИ2.4.МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙМетод ВС или локализованных пар электронов относительно прост, нагляден и хорошо объясняет образование, структуру многих молекул, их энергию и длину связей, но свойства некоторых молекул и ионов метод ВСобъяснить не в состоянии.

В методе ВС постулируется участие в образовании связи пары электронов, в то же времясуществуют свободные радикалы, молекулярные ионы,такие как H21 , He21 , O22 , которые имеют неспаренные электроны. О наличии неспаренных электронов можно судитьпо магнитным свойствам веществ. Вещества, имеющиенеспаренные электроны, парамагнитны, т. е. втягиваются в магнитное поле. Вещества, не имеющие неспаренныхэлектронов, диамагнитны, т. е. выталкиваются из магнитного поля.

Однако, согласно методу ВС молекула кислорода не имеет неспаренных электронов, между тем кислород парамагнитен.Более общим является метод молекулярных орбиталей (МО), позволяющий объяснить ряд явлений и фактов,непонятных с точки зрения метода ВС.Основные понятия. Согласно методу МО электроны вмолекулах распределены по молекулярным орбиталям,которые подобно атомным орбиталям (АО) характеризуются определенной энергией (энергетическим уровнем) иформой. В отличие от АО, молекулярные орбитали охватывают не один атом, а всю молекулу, т. е.