4. Химическая связь и строение молекул

Пример 1. Дипольный момент молекулы HCN равен 0,9710^-29 Клм. Определите дли­ну диполя молекулы HCN.

Решение. Полярность связи характеризуется величиной дипольного момента . Дипольный момент равен =е^-l, где е^-– заряд электрона (1,60210^-19 Кл); l — длина диполя, м. Длина диполя l равна

Пример 2. Какой вид гибри­дизации электронных облаков имеет место в атоме кремния при образовании молекулы SiF₄? Какова пространственная струк­тура этой молекулы?

Решение. В возбужденном состоянии структура внешнего энергетического уровня атома кремния следующая:

3s	3pх	3pу	3pz

3s 3p

В образовании химических связей в атоме кремния участ­вуют электроны третьего энергетического уровня: один элект­рон в s-состоянии и три электрона в р-состоянии. При образо­вании молекулы SiF₄ возникают четыре гибридных электронных облака (sp³-гибридизация). Молекула SiF₄ имеет пространст­венную тетраэдрическую конфигурацию.

Пример 3. Опишите с помощью метода молекулярных орбиталей молекулу Н₂0.

Решение. В методе молекулярных орбиталей молекула рассматривается как единая система, содержащая ядра и эле­ктроны. При образовании молекулы возникают молекулярные орбитали двух видов –связывающие и разрыхляющие. Если при образовании молекулы из атомов переход электрона на молекулярную орбиталь будет сопровождаться уменьшением энергии, то такая молекулярная орбиталь является связываю­щей. В случае, если переход электрона на молекулярную орби­таль сопровождается увеличением энергии, то такая молеку­лярная орбиталь будет разрыхляющей.

Электроны в молекулах располагаются на -, - и -молекулярных орбиталях. -орбиталь может быть скомбинирована из s-атомных орбиталей, причем образуются молекулярные ор­битали двух типов: связывающие (^св) и разрыхляющие (^разр):

^св_1s и ^разр_1s (или ^св_2s и ^разр_2s),

-молекулярные орбитали могут быть образованы и перекры­ванием 2p_х-атомных орбиталей. При перекрывании 2p_у – и 2p_z-атомных орбиталей образуются _у- и _z^_ молекулярные орбитали. Порядок размещения электронов по молекулярным орбиталям тот же, что и в случае атомных орбиталей: прежде всего заполняются орбитали с низкой энергией. Заполнение моле­кулярных орбиталей подчиняется принципу Паули (на каждой орбитали может быть не более двух электронов с противопо­ложными спинами) и правилу Гунда.

В молекуле воды 8 валентных электронов, 6 от атома кислорода (2s²2p⁴) и 2 от двух атомов водорода (1s).

Молекулярные орбитали воды образуются за счет перекры­вания 2s- и 2p-орбиталей атома кислорода и 1s-орбиталей двух атомов водорода. Всего образуется 6 валентных молекулярных орбиталей (число молекулярных орбиталей во внешнем слое молекулы равно сумме валентных атомных орбиталей состав­ляющих ее атомов).

При перекрывании 2р_х^_ орбитали атома кислорода и ls-ор­биталей двух атомов водорода возникают две молекулярные ор­битали: _х^св и _х^разр. Перекрывание 2s- и 2p_z-орбиталей атома кислорода с ls-орбиталями двух атомов водорода приводит к образованию еще трех молекулярных орбиталей: _s^св и _z^разр и почти несвязывающей _z. 2р_у^_ орбиталь атома кислорода не пе­рекрывается с ls-орбиталями атомов водорода и поэтому яв­ляется несвязывающей _у- орбиталью.

Восемь валентных электронов в молекуле воды на молеку­лярных орбиталях располагаются следующим образом: Н₂О [(_s^св)²(_х^св)²(_z)²(_у)²].

Энергетические уровни орбиталей молекулы Н₂О изобража­ют диаграммой

Пример 4. Определите тип гибридизации орбиталей центрального атома в частице Н₃О⁺. Назовите и изобразите геометрическую форму этой частицы.

Решение.

(донор)

(акцептор)

3-связи

sp³-гибридиза-

ция, незавер-

шенный тетраэдр

Образование -связей между атомами А и В не влияет на геометрию молекул и в схеме не указывается, но должно быть учтено в пространственных изображениях частиц. Когда число , -связанных концевых атомов В (чаще других элементов-атомов кислорода) больше одного, то -связь изображается пунктиром. При наличии -связывания симметричность направленности химических связей не уменьшается.

Пример 5. Определите тип гибридизации орбиталей центрального атома в частице NO₂. Назовите и изобразите геометрическую форму этой частицы.

Решение.

N⁺⁴+2O^-2=NO₂

N ⁺⁴=[₂He]2s¹2p⁰

(акцептор)

O^-2==[₂He]2s²2p⁶(донор)

2, -связи

sp²-гибридиза-

ция, незавер-

шенный треугольник