3.4. Примеры задач

Задача. Рассмотрите возможность образования молекулы фторида водорода HF.

Решение.

1. Электронные конфигурации атомов: водород H [1s¹], фтор F [1s²2s²2p⁵].

Базисный набор АО: водород - одна 1s - АО, фтор - одна 2s - АО, энергия базисных АО:E_H(1s) =  13,6 эВ; E_F(2s) =  40,0 эВ, E_F(2p) =  17,4 эВ. Энергия 1s - АО фтора имеет очень низкую энергию и в базисный набор не входит.

2. Комбинируем АО для получения МО. В соответствии с энергетическим принципом и принципом симметрии 1s - АО водорода может комбинироваться только с 2p - АО фтора. В результате получаем связывающую _SP - МО и разрыхляющую - МО.

Остальные АО фтора дают соответствующие несвязывающие МО: 2s - АО- - МО, 2p_y - АО - - МО, 2p_Z - АО - - МО. При комбинировании 5 АО получаем 5 МО.

3. Распределяем электроны базисного набора АО по МО. Из восьми электронов базисного набора АО (один электрон от водорода и семь от фтора) по возрастанию энергии 2 электрона занимают несвязывающую - МО, 2 электрона связывающую _SP - МО и две пары спаренных электронов (4 электрона) - две одинаковые по энергии (вырожденные) y и z несвязывающие МО.

4. Порядок связи в молекуле фторида водорода равен единице:

ПС = = 1

Следовательно, устойчивая молекула HF должна существовать.

Действительно, по экспериетальным даны молекула образуется с высокой энергией связи 565 кДж/моль, (5,85 эВ/моль) и короткой длиной связи 0,0917 нм. Химическая связь осуществляется двумя связывающими электронами на _SP - МО; в молекуле нет  связей, т.к. нет  - связывающих МО. Пространственная структура молекулы линейная.

Задача. Объясните наличие большого электрического момента диполя у молекулы HF.

Решение.

Молекула HF обладает большим электрическим моментом диполя ( = 1.9 Д = 6.0610^30 Кл.м) с отрицательным полюсом у ядра фтора и вкладом ионной составляющей в химическую связь более 40%. Этот экспериментальный факт объясняется близостью двух электронов несвязываюшей МО к энергии 2р - АО фтора не 1s -АО водорода, а также наличием несвязывающих электронов в поле ядра фтора. В результате наблюдается концентрация электронной плотности в поле ядра, фтора) согласуется с большей электроотрицательностью фтора (Э. О. = 4.0), чем водорода (Э. 0. = 2.1).

Большая полярность связи в молекуле фторида водорода приводит к сильному взаимодействию с полярными частицами и большому вкладу ориентационной составляющей в межмолекулярное взаимодействие между молекулами фторида водорода

Задача. Рассмотрите сравнительную энергетическую устойчивость молекулы HF и соответствующих молекулярных ионов.

Решение. Рассмотрим сравнительную энергетическую устойчивость положительных и отрицательных ионов молекулы фторида водорода, позволяющую судить о способности к отдаче или присоединения электрона. Теоретически отрицательный молекулярный ион HF^ может существовать, т.к. ПС = 0,5, но относительно нейтральной молекулы HF (ПС = 1) он неустойчив В положительном ионе HF⁺ Формально порядок связи не изменяется (ПС = 1). Однако, практически отрыв электрона от прочной энергетически устойчивой молекулы фторида водорода осуществить трудно: Е  17 эВ по энергетической диаграмме. Реально HF^ и HF⁺ не обнаружены, но обнаружен и является устойчивым ион H₂F⁺ (вы это можете доказать!). Следовательно, молекула фторида водорода более устойчива, чем соответствующие однозарядные ионы и не обладает способностью присоединять электроны.

Задача. Рассмотрите донорно - акцепторные свойства молекулы HF.

Решение. Молекула фторида водорода в целом является донором электронов, т.к. имеет две пары электронов на несвязывающих - МО - высшими заполненными электронами МО. Причём, несвязывающие электроны в значительной степени локализованы в поле ядра фтора, фтор - донорный центр. Пример:

HF + H⁺  H₂F⁺

HF + BF  HBF₄

Задача. Определите: является ли молекула HF диамагнитной или парамагнитной?

Решение. Метод МО позволяет объяснить и прогнозировать магнитные свойства молекул. Так, молекула фторида водорода обладает диамагнитными свойствами, т.к. не имеет неспаренных электронов. В отличие от молекулы кислорода (см. энергетическую диаграмму), которая имеет 2 неспаренных электрона и парамагнетизм которой подвержен экспериментально.