- •Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
- •А. А. Нестеров, э.А.Бикяшев теория химического строения и свойства веществ
- •Модуль №1
- •1 Развитие представлений о строении атома
- •Ранние модели строения атома
- •1.2 Квантово-механическое описание атомов
- •1.3 Правила квантования
- •1.4 Правила заполнение электронами атомных орбиталей
- •1.5 Электронное строение атомов в основном состоянии. Связь электронного строения атомов и структуры периодической системы элементов
- •1.6 Закономерности изменения атомных (ионных) радиусов
- •1.7 Закономерности изменения энергий (потенциалов) ионизации
- •1.8 Закономерности изменения сродства к электрону
- •1.9 Электроотрицательности атомов и закономерности их изменения
- •Модуль №2 Электростатические представления в теориях химической связи
- •2.1. Теория электрохимического дуализма
- •2.2. Теория валентности
- •2.3. Теория ионной связи
- •2.3.1. Основные положения теории ионной связи Косселя
- •2.3.2.Оценка энергии ионной связи.
- •2.3.3. Границы применимости теории ионной связи
- •2.3.4 Энергия кристаллической ионной решетки.
- •2.3.5. Ионные радиусы
- •2.3.6. Ионные структуры
- •2.3.6.1. Основные принципы модели жесткой сферы
- •2.3.6.2. Границы применимости модели жесткой сферы
- •2.3.7. Основные свойства ионной связи и её недостатки
- •2.4. Теория поляризации.
- •2.5. Межмолекулярное взаимодействие.
- •Модуль №3
- •3.1. Теория Льюиса и метод олэп.
- •3.2.Основные принципы описания молекул в квантовой химии и метод валентных связей (мвс).
- •3.2.1. Основные принципы описания молекул в квантовой химии
- •3.2.2.Описание механизмов образования химических связей в рамках мвс
- •3.2.3. Описание строения молекул в рамках мвс
- •3.2.5. Дипольный момент и полярность связей
- •3.2.6. Достоинства и недостатки мвс
- •3.3. Метод молекулярных орбиталей (ммо).
- •3.4. Cравнение мвс и ммо
- •Модуль №4 Теория связи в металлах и комплексных соединениях
- •4.1. Химическая связь в кристаллах металлов.
- •4.1.1 Теория «электронного газа».
- •4.2 Зонная теория химической связи для кристаллов металлов, полупроводников и диэлектриков.
- •4.3 Строение кристаллов металлов.
- •4.4 Координационная теория а.Вернера, современная трактовка ее основных понятий и положений
- •4.4.1 Предпосылки создания теории строения комплексов
- •4.4.2 Координационная теория а.Вернера: состав комплексов, поведение в растворах, структура (изомерия)
- •4.4.3 Современная трактовка основных понятий координационной теории
- •4.4.4 Номенклатура комплексных соединений
- •4.4.5 Классификация комплексных соединений
- •4.4.6 Изомерия комплексов
- •4.4.7 Некоторые типы реакций с участием комплексных соединений
- •4.5 Теории химической связи в комплексах
- •4.5.1 Электростатическая (ионная) теория
- •4.5.2 Квантово-механические теории описания химической связи в комплексах
- •4.5.2.1 Метод валентных связей
- •4.5.2.2 Теория кристаллического поля
- •4.5.2.3 Варианты проявления энергетического расщепления орбиталей
- •4.5.2.4 Недостатки ткп
- •4.5.3 Теория поля лигандов (метод молекулярных орбиталей)
- •Заключение
- •Оглавление
3.2.6. Достоинства и недостатки мвс
Основное преимущество МВС заключается в возможности наглядного изображения строения молекул с помощью схем. С помощью МВС можно на качественном уровне прогнозировать химические свойства молекулярных веществ и отдельных молекул (в частности, делать заключение о типе межмолекулярного взаимодействия и на его основе предсказывать температуры плавления и кипения веществ; основываясь на представлении о длине химической связи и её кратности сравнивать энергию связи в однотипных молекулах, делать выводы об относительной стабильности этих молекул, изменении значений термодинамических функций состояния для процессов с участием рассматриваемых молекулярных веществ, энергии активации этих процессов и т.д.). Всё это предопределяет широкое использование данного метода на начальных этапах знакомства со строением и свойствами молекулярных веществ.
Как отмечалось выше, описать молекулу в рамках МВС означает математически определить вариант распределения электронной плотности между атомными ядрами, отвечающий минимуму энергии системы. В случае большинства гомоатомных молекул задача упрощается тем, что электронная плотность валентной пары располагается симметрично относительно ядер атомов. В то же время для гетероатомных молекул и молекул с делокализованными связями задача минимизации энергии на количественном уровне может быть решена только для небольшого числа объектов, т.к. появление в молекуле суммарного или локального диполя (связанного со смещением электронной плотности общей пары в сторону более эектроотрицательного атома) изменяет в ней энергию, как связующих, так и неподелённых электронных пар.
При обсуждении МВС было показано, что с его помощью можно прогнозировать строение молекул. Однако в целом ряде случаев, когда теоретически можно представить несколько правдоподобных вариантов строения рассматриваемой частицы, МВС часто оказывается бесполезным, если отсутствуют дополнительные экспериментальные данные. Это связано с тем, что по мере усложнения состава молекул, энергия каждого отдельного электрона в них, зависящая всё от большего числа взаимодействий с другими электронами и несколькими ядрами, математически становится всё более неопределённой, т.е. точность расчётов снижается и какая из нескольких близких по энергии структур молекулы реализуется при тех или иных параметрах состояния системы становится неясным.
МВС не в состоянии объяснить магнитные свойства молекул. Это связано с тем, что основным постулатом этого метода является двухэлектронная связь – наличие в области перекрывания орбиталей двух электронов с противоположными спинами. Тогда, по определению, все молекулы дожны бать диомагнитными, что не подтверждается экспериментально.
Молекулы, также как атомы, имеют индивидуальные спектры, на чём основаны спектральные методы анализа молекулярных веществ. МВС не предполагает наличия у молекул возбуждённого состояния и, следовательно, не интерпретирует их спектральные характеристики.
В ряде случаев МВС сталкивается при описании частиц с трудностями и на качественном уровне: а) в молекулярном ионе Н2+ имеется только один электрон, но он вполне стабилен, дефицит электронов и в молекуле В2Н6 – общее число электронов на валентных атомах бора и водорода 12, что, с точки зрения МВС недостаточно для образования 8 химических связей ; б) молекулы В2 и О2 парамагнитны (согласно экспериментальным данным эти молекулы имеют по два неспаренных электрона), что противоречит их строению в рамках МВС; в)рассматриваемый метод отрицает возможность образования соединений благородных газов, хотя известно, что они не только существуют, но и их стабильность в ряде случаев не ниже стабильности однотипных соединений других элементов.
Системным же недостатком МВС, как это не покажется странным на первый взгляд, является идея локализации электронных пар, что противоречит основным принципам квантовой механики, в частности, положению о делокализации электронов в пространстве. Другими словами МВС в принципе не способен количественно интерпретировать химическую связь в большинстве молекулярных систем.