2. Полярность молекул.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МОЛЕКУЛ

При образовании полярной ковалентной связи смещение общего

электронного облака приводит к тому, что плотность отрицательного

электрического заряда оказывается выше вблизи более

электроотрицательного атома и ниже — вблизи менее электроотрицательного

атома. В результате первый атом приобретает избыточный

отрицательный заряд, а второй — такой же по абсолютной

величине избыточный положительный заряд. Подобную систему

из двух равных по абсолютной величине и противоположных по

знаку зарядов, расположенных на определенном расстоянии друг

от друга, называют электрическим диполем.

Напряженность поля, создаваемая диполем, пропорциональна

дипольному моменту молекулы, представляющему собой произведение

абсолютного значения заряда электрона q(l,60-10~19 Кл)

на расстояние / между центрами положительного и отрицательного

зарядов в диполе: д = ql.

Дипольный момент молекулы служит количественной мерой ее

полярности. Дипольные моменты молекул обычно измеряют в де-

баях (D). ID = 3,33 • 1(Г30 Клм.

Пример 1. Длина диполя молекулы НС1 равна 0,22 • 10~8 см. Вычислить

дипольный момент молекулы.

Р е ш е н и е , q = 1,60-КГ19 Кл; / = 2,2-Ю-1 1 м; /х = gl = 1,60-10~19-2,2-Ю"11 =

= 3,52 • 10~3 К л м = 3,52 • 1(Г30/(3,33 • 1(Г3 0 ) D = 1,06 D.

Дипольный момент — величина векторная, направленная от

положительного конца диполя к отрицательному. Поэтому дипольный

момент многоатомной молекулы следует рассматривать как

векторную сумму дипольных моментов связей: он зависит не только

от полярности каждой связи, но и от взаимного расположения

этих связей.

Так, молекула АВ2 может иметь линейную (а) или угловую (б)

структуру:

а) А б) 1

В* о *В ^ ^ \В

Молекула АВ3 может быть построена в форме правильного

треугольника (а), тригональной пирамиды (б) или в Т-образной

форме (в):

а) В» б) An с) В"

В^А^В В4Р>В А<ь—2

1в

В линейных молекулах АВ2, треугольных АВ3, тетраэдрических .

и квадратных АВ4 дипольные моменты связей А — В взаимно

компенсируют друг друга, так что суммарные дипольные моменты

молекул равны нулю. Подобные молекулы неполярны, несмотря

на полярность отдельных связей.

В угловых молекулах АВ2, пирамидальных и Т-образных АВз

взаимной компенсации дипольных моментов отдельных связей не

происходит; дипольные моменты таких молекул не равны нулю.

Пример 2. Дипольный момент молекулы аммиака равен 1,48 D. Вычислить

длину диполя. Можно ли предположить, что молекула имеет форму правильного

треугольника?

Р е ш е н и е .

fi = 1,48 D = 1,48 • 3, 33 • Ю- 3 0 Кл-м = 4,93 • 10"3 0 Кл-м; д = 1,60 • Ю- 1 9 Кл.

Отсюда 1 = ц/я- 4,93 • КГ3 0 / ( 1 , 6 0 • Ю- 1 9 ) = 3,08 • Ю - 1 1 м = 0,0308 нм.

Молекула NH3 не может иметь форму правильного треугольника, так как в

этом случае ее дипольный момент был бы равен нулю. В действительности она

построена в форме тригональной пирамиды, в вершине которой расположен атом

азота, а в вершинах основания находятся атомы водорода.

Для объяснения геометрической структуры молекул, другими

словами, для объяснения направленности ковалентных связей используют

представление о гибридизации АО центрального атома.

Согласно этому представлению, образованию химических связей

может предшествовать изменение валентных орбиталей атома: исходные

неравноценные атомные орбитали, как бы «перемешиваясь

», образуют энергетически равноценные орбитали. При этом

происходит перераспределение электронной плотности, которое требует

затраты энергии и в изолированных атомах не реализуется.

Но в результате гибридизации электронное облако вытягивается по

направлению к взаимодействующему атому, благодаря чему увеличивается

его перекрывание с электронными облаками последнего.

Это приводит к образованию более прочной химической связи и,

следовательно, к выделению дополнительной энергии, которая и

компенсирует затраты энергии на гибридизацию.

Число гибридных АО равно числу участвующих в гибридизации

исходных АО атома. Если в гибридизации участвуют одна s- и

Одна р-орбитали (sp-гибридизация), то образуются две равноценные

sp-орбитали; из одной s- и двух р-орбиталей (зр2-гибридизация)

образуются три вр2-орбитали и т. д.

Гибридные облака, соответствующие данному типу гибридизации,

располагаются в атоме так, чтобы взаимодействие между

электронами было минимальным, т. е. как можно дальше друг от

друга. Поэтому при sp-гибридизации электронные облака ориентируются

в противоположных направлениях, при зр2-гибридизации —

в направлениях, лежащих в одной плоскости и составляющих друг

с другом углы в 120° (т. е. в направлениях к вершинам правильного

треугольника), при зр3-гибридизации — к вершинам тетраэдра

(угол между этими направлениями составляет 109°28'), при

sp3d2 — гибридизации — к вершинам октаэдра (т. е. по взаимно

перпендикулярным направлениям). Взаимное расположение осей

гибридных электронных облаков при некоторых видах гибридизации

показано ниже (каждая стрелка передает направление оси

одного из облаков):

Вид гибридизации

Число гибридных облаков

Направление ориентации

гибридных облаков

Пространственная структура молекулы определяется видом гибридизации

валентных орбиталей центрального атома и числом

неподеленных электронных пар, содержащихся в его валентном

электронном слое.

Пример 3. Каким типом гибридизации АО азота описывается образование

иона NH^ И молекулы NH3? Какова пространственная структура этих частиц?

Р е ш е н и е . Как в ионе аммония, так и в молекуле аммиака валентный электронный

слой атома азота содержит четыре электронных пары:

• н •]+ н

H:N:H :N:H

. Н J Н

Поэтому в обоих случаях электронные облака атома азота будут максимально

удалены друг от друга при вр3-гибридизации, когда их оси направлены к вершинам

тетраэдра. При этом в ирне NHJ" все вершины тетраэдра заняты атомами

водорода, так что этот ион имеет тетраэдрическую конфигурацию с атомом азота

в центре тетраэдра.

При образовании молекулы аммиака атомы водорода занимают только три

вершины тетраэдра, а к четвертой вершине направлено электронное облако не-

поделенной электронной пары атома азота. Это можно представить следующей

схемой:

Образовавшаяся фигура — тригональная пирамида с атомом азота в ее вершине

и атомами водорода в вершинах основания.

З а д а чи

254. Дипольный момент молекулы HCN равен 2,90. Вычислить

длину диполя.

255. Длина диполя молекулы фтороводорода равна 4 • Ю- 1 1 м.

Вычислить ее дипольный момент в дебаях и в кулон-метрах.

256. Дипольные моменты молекул Нг О и Н2 S равны соответственно

1,84 и 0,941). Вычислить длины диполей. В какой молекуле

связь более полярна? Указать направления дипольных моментов

связей в этих молекулах.

257. Описать пространственное строение неполярной молекулы

ВеСЬ- Какие АО бериллия участвуют в образовании связей Be—C1?

258. Дипольный момент молекулы БОг равен 1,61.0, молекулы

СОг — нулю. Одинаковы ли валентные углы OSO и ОСО? Ответ

мотивировать.

259. Дипольный момент молекулы CS2 равен нулю. Каким типом

гибридизации АО углерода описывается образование этой молекулы?

260. Дипольные моменты молекул BF3 и NF3 равны соответственно

0 и 0,2D. Какими типами гибридизации АО бора и азота

описывается образование этих молекул?

261. Какие типы гибридизации АО углерода соответствуют образованию

молекул СН4, С2Н6, СгН4, СгН2?

262. Указать тип гибридизации АО кремния в молекулах Sili4

и S1F4. Полярны ли эти молекулы?

263. В молекулах SO2 и ЭОз атом серы находится в состоянии

.^-гибридизации. Полярны ли эти молекулы? Какова их

пространственная структура?

264. При взаимодействии SiF4 с HF образуется сильная кислота

H2SiF6 , диссоциирующая на ионы Н+ и SiFg-.-Может ли подобным

образом протекать реакция между CF4 и HF? Указать тип

гибридизации АО кремния в ионе SiFg-.

Вопросы д л я самоконтроля

265. Одинакова ли геометрическая конфигурация молекул BF3

и NF3: а) одинакова; б) различна?

Потому что: 1) ковалентность центрального атома в обеих

молекулах одинакова; 2) одна из молекул полярна, а другая —

нет.

266. В какой молекуле — BF3 или NH3 — значение дипольного

момента больше: а) в BF3; б) в NH3; в) дипольные моменты равны?

Потому что: 1) разность электроотрицательностей атомов в

молекуле BF3 больше, чем в молекуле NH3; 2) молекула BF3 имеет

плоское строение, а молекула NH3 — пирамидальное; 3) у атома

азота есть неподеленная пара электронов, а у атома бора — свободная

(вакантная) валентная орбиталь.

267. Указать тип гибридизации АО углерода в молекуле диоксида

углерода: a) sp; б) sp2; в) sp3; г) нет гибридизации.

Потому что: 1) все валентные электроны атома углерода принимают

участие в образовании связей; 2) атом углерода имеет два

неспаренных электрона на 2р-орбиталях; 3) молекула С02 имеет

линейное строение.