ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ.

КОНДЕНСИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Пример 1. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами (спинвалентность), может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном (*) состояниях?

Решение.

Распределение электронов внешнего энергетического уровня фосфора …3s²3p³ (учитывая правило Хунда, 3s²3p_x3p_y3p_z) по квантовым ячейкам имеет вид

Атомы фосфора имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход одного 3s-электрона в 3d-состояние:

 

Отсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянии равна трем, а в возбужденном – пяти.

Пример 2. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа AB_n, если связь в них образуется за счет sp-, sp²-, sp³- гибридизации орбиталей атома A?

Решение.

Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только «чистых» АО, но и «смешанных», так называемых гибридных АО. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей равно числу исходных.

Тип молекулы	Исходные орбитали атома	Тип гибридизации	Число гибридных орбиталей атома	Пространственная конфигурация молекулы
АВ2	s + p	sp		линейная
АВ3	s + p + p	sp2		треугольная
АВ4	s + p + p + p	sp3		тетраэдрическая

Пример 3. Как метод молекулярных орбиталей (МО) описывает строение двухатомных гомоядерных молекул элементов второго периода?

Решение.

Метод валентных связей (ВС) не может объяснить целый ряд свойств и строение некоторых молекул (парамагнетизм молекулы О₂; большую прочность связей в молекулярных ионах F и O , чем соответственно в молекулах F₂ и O₂; наоборот, меньшую прочность связи в ионе N , чем в молекуле N₂; существование молекулярного иона He и неустойчивость молекулы He₂ и т.п.). Более плодотворным оказался другой подход к объяснению ковалентной связи – метод молекулярных орбиталей (МО). В методе МО состояние молекулы описывается как совокупность электронных молекулярных орбиталей. При этом число молекулярных орбиталей равно сумме атомных орбиталей. Молекулярной орбитали, возникающей от сложения атомных орбиталей (АО), соответствует более низкая энергия, чем исходным орбиталям. Такая МО имеет повышенную электронную плотность в пространстве между ядрами, способствует образованию химической связи и называется связывающей. Молекулярной орбитали, образовавшейся от вычитания атомных, соответствует более высокая энергия, чем атомным орбиталям. Электронная плотность в этом случае сконцентрирована за ядрами атомов, а между ними равна нулю. Подобные МО энергетически менее выгодны, чем исходные АО, они приводят к ослаблению химической связи и называются разрыхляющими. Электроны, занимающие связывающие и разрыхляющие орбитали, называют соответственно связывающими (св) и разрыхляющими (разр) электронами. Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Хунда по мере увеличения их энергии в такой последовательности:

σ ^св_1s < σ ^разр_1s < σ ^св_2s < σ ^разр_2s < σ ^св_2px< π ^св_2py=π ^св_2pz< π ^разр_2py=π ^разр_2pz < σ ^разр_2px.

 

На рис. 1 изображена энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из атомных для двухатомных гомоядерных (одного и того же элемента) молекул элементов второго периода. Число связывающих и разрыхляющих электронов зависит от их числа в атомах исходных элементов.

Следует отметить, что при образовании молекул B₂, C₂, и N₂ энергия связывающей σ _2px-орбитали больше энергии связывающих π _2py- и π _2pz-орбиталей, тогда как в молекулах O₂ и F₂, наоборот, энергия связывающих π _2py- и π _2pz-орбиталей больше энергии связывающей σ _2px-орбитали. Это нужно учитывать при изображении энергетических схем (рис. 1) соответствующих молекул.

Порядок связи в молекуле определяется разностью между числом связывающих и разрыхляющих орбиталей, деленной на два. Порядок связи может быть равен нулю (молекула не существует), целому или дробному положительному числу.

 

Рис.1. Энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из

атомных для гомоядерных молекул второго периода

 

Подобно электронным формулам, показывающим распределение электронов в атоме по атомным орбиталям, в методе МО составляют формулы молекул, отражающие их электронную конфигурацию. По аналогии с атомными s-, p-, d-, f-орбиталями молекулярные орбитали обозначаются греческими буквами σ, π, δ, φ.

Так, электронная конфигурация молекул О₂ описывается следующим образом:

O₂[KK (σ _2s^св)² (σ _2s^разр)² (σ _2px^св)² (π _2py^св)²(π _2pz^св)² ₍π _2py^раз)¹(π _2pz^разр )¹].

Буквами КК показано, что четыре 1s-электрона (два связывающих и два разрыхляющих) практически не оказывают влияния на химическую связь.

 

Пример 4. Сера образует химические связи с калием, водородом, бромом и углеродом. Какие из связей наиболее и наименее полярны? Укажите, в сторону какого атома смещается общая электронная пара?

Решение.

Используя значения относительных электроотрицательностей атомов (табл. 4), находим разность относительных электроотрицательностей серы и элемента, образующего с ней химическую связь:

а) сера – калий: 2, 6 – 0, 91=1, 69, электронная пара смещена в сторону атома серы;

б) сера – водород: 2, 6 – 2, 1 = 0, 5, электронная пара смещена в сторону атома серы;

в) сера – бром: 2, 6 – 2, 74 = -0, 14, электронная пара смещена в сторону атома брома;

г) сера – углерод: 2, 6 – 2, 5 = 0, 1, электронная пара смещена в сторону атома серы.

Чем больше по абсолютной величине разность относительных электроотрицательностей, тем более полярна связь. В данном примере наиболее полярной является связь сера – калий, наименее полярной – связь сера – углерод.

 

Контрольные задания

91. Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекул воды?

92. Какая ковалентная связь называется неполярной и какая полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Составьте электронные схемы строения молекул N₂, Н₂О, НI. Какие из них являются диполями?

93. Какой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NН и BF ? Укажите донор и акцептор.

94. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеСl₂ и тетраэдрическое – СН₄?

95. Какая ковалентная связь называется σ -связью и какая -связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

96. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

97. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

98. Что называется дипольным моментом? Какая из молекул HCl, HBr, HI имеет наибольший дипольный момент? Почему?

99. Какие кристаллические структуры называются ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ: алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк имеют указанные структуры?

100. Составьте электронные схемы строения молекул Cl₂, H₂S, ССl₄. В каких молекулах ковалентная связь является полярной? Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы H₂S?

101. Чем отличается структура кристаллов NaCl от структуры кристаллов натрия? Какой вид связи осуществляется в этих кристаллах? Какие кристаллические решетки имеют натрий и NaCl? Чему равно координационное число натрия в этих решетках?

102. Какая химическая связь называется водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н₂О и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

103. Какая химическая связь называется ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной? Приведите два примера типичных ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

104. Укажите тип химической связи в молекулах Н₂, Cl₂, HCl. Приведите схему перекрывания электронных облаков.

105. Пользуясь таблицей относительных электроотрицательностей, вычислите их разность для связей K – Cl, Ca – Cl, Fe –Cl, Ge –Cl. Какая из связей характеризуется наибольшей степенью ионности?

106. Какой характер имеют связи в молекулах NCl₃, CS₂, ICl₅, NF₃, OF₂, ClF, CO₂? Укажите для каждой из них направление смещения общей электронной пары.

107. Почему не могут существовать устойчивые молекулы Ве₂ и Nе₂?

108. Какие типы гибридизации АО углерода соответствуют образованию молекул СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆?

109. Объясните с позиции метода ВС способность оксидов NO и NO₂ образовывать димерные молекулы.

110. Какая из связей Са – Н, С – S, О –Cl является наиболее полярной? К какому из атомов смещено молекулярное электронное облако?

111. Как метод молекулярных орбиталей объясняет большую энергию диссоциации молекулы азота? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы N₂. Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях?

112. Молекула хлорида бора BCl₃ имеет плоскую структуру, а хлорида азота NCl₃ – пирамидальную. Чем объясняется такое различие?

113. Какие гибридные облака атома углерода участвуют в образовании химической связи в молекулах CCl₄, CO₂?

114. Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов в соединениях CH₄, CH₃OH, HCOOH, CO₂.

115. Сравните способы образования ковалентных связей в молекуле NH₃ и в ионе NH .

116. Какие силы молекулярного взаимодействия называются ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают и какова природа этих сил?

117. Какая химическая связь называется координационной или донорно-акцепторной? Разберите строение комплекса [Zn(NH₃)₄]²⁺. Укажите донор и акцептор. Как метод валентных связей объясняет тетраэдрическое строение этого иона?

118. Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей объясняет симметричную треугольную форму молекулы BF₃?

119. Как метод молекулярных орбиталей объясняет парамагнитные свойства молекулы кислорода? Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы О₂ в методе молекулярных орбиталей.

120. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы F₂ в методе молекулярных орбиталей.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. AT : химич. Природа, строение, свойства, механизм специфического взаимодействия с АГ
2. E)Городская телефонная связь
3. IV.2. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
4. IV.7.3. Химическая структура белков
5. АЛХИМИЧЕСКАЯ СИМВОЛИКА БОГОЯВЛЕНСКОГО ПИРОГА
6. Анатомическое строение зерна
7. Анатомическое строение клубня
8. Арифметико-логическое устройство с магистральной связью.
9. Ауксины. Химическая природа, биосинтез, физиологическая роль, практическое применение.
10. Бизнес-процесс «построение учебного процесса»
11. Билет № 20 ( 1) Состав, строение и свойства волокон льна.
12. Биологические мембраны клетки их строение химический состав и функции.