attachments_05-10-2012_14-50-39 / ДЗ-2(ТПВ-1)

Тема II. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Задание 1: Для четырех, указанных по варианту молекул (табл.), с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:

1. Каков тип гибридизации центрального атома в молекуле и валентный угол между связями?

2. Какова пространственная структура молекулы?

3. Сколько σ- и π-связей содержит молекула?

4. Определить полярность связей и полярность молекулы в целом.

Пример решения

Для ответа на вопросы задания рассмотрим молекулу CdI₂.

1. Сначала определяем тип гибридизации центрального атома. Для этого выписываем валентные электроны центрального атома ₄₈Cd.

5s

4d

4d

З

5p

атем 5s электроны переводим в возбужденное состояние.

5s

4d

Таким образом Cd предоставляет на связь два неспаренных электрона.

Далее выписываем валентные электроны йода.

5s

5p

У йода имеется один неспаренный электрон. Следовательно, согласно Льюису молекула CdI₂ выглядит следующим образом:

^.

Далее изображаем молекулу CdI₂ с использованием представлений о гибридизации орбиталей центрального атома.

Отмечаем, что у Cd имеются две внешние орбитали: s и р. Представим s- и р-орбитали на рис. 2.1.

Рис. 2.1

Таким образом, с одной р-орбиталью йода кадмий связывается с помощью s-орбитали, а с другой – с помощью р-орбитали. Так как связи отличаются по форме и энергии, то такая молекула не будет устойчивой. Для образования устойчивой молекулы в центральном атоме происходит процесс гибридизации валентных орбиталей, который показан на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Гибридизация – процесс, в результате которого происходит перестройка валентных орбиталей центрального атома и образование смешанных гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

Таким образом, при гибридизации s- и p-орбиталей образуются две равноценные sp-гибридные орбитали (s + p = 2sp). По аналогии: s + p + p = 3sp², образуются три равноценные sp²-гибридные орбитали; s + p + p + p = 4sp³, образуются четыре равноценные sp³-гибридные орбитали.

Гибридные орбитали центрального атома располагаются под определенным углом (валентный угол), чтобы образовалась устойчивая молекула: при гибридизации типа sp валентный угол составляет 180 ^о; sp² – 120 ^о; sp³ – 109 ^о. Расположение гибридных орбиталей под определенным углом показано в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип гибридизации:	sp	sp2	sp3
Расположение гибридных орбиталей в простран-стве
Теоретический валентный угол	180 о	120 о	109 о

В соответствии с данными табл. 2.1 в молекуле CdI₂ реализуется sp-гибридизация, и валентный угол составляет 180 ^о.

Чтобы изобразить молекулу в целом, остается показать перекрывание полученных гибридных орбиталей центрального атома с валентными орбиталями боковых атомов. В случае рассматриваемой молекулы CdI₂ боковым атомом является ₅₃I. Так как это р-элемент, то его валентные наружные электроны имеют орбиталь в виде гантели. В случае, если это будет s-элемент, то форма орбитали в виде шара.

"Подводя" валентные орбитали йода к гибридным орбиталям кадмия, получаем схему молекулы CdI₂ (рис. 2.3).

I Cd I

Рис. 2.3

2. Разберем вопрос о пространственной структуре молекулы. Пространственная структура молекулы связана с типом гибридизации и расположением боковых атомов вокруг центрального атома (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Тип гибри- дизации	sp	sp2	sp3	sp3	sp3
Простран-ственная структура
Форма молекулы	линейная	треугольная	тетраэдри­чес­кая	пирами­даль­ная	угловая

Как видно из табл. 2.2, при sp³ гибридизации может реализоваться тетраэдрическая форма, пирамидальная или угловая в зависимости от числа боковых атомов (4, 3, 2 – соответственно). В данном типе гибридизации могут оставаться неиспользованные орбитали, которые влияют на величину валентного угла.

Из рис. 2.3 следует, что рассматриваемая молекула CdI₂ имеет линейную форму.

3. Теперь отметим наличие σ и π связей в молекуле. Если область перекрывания находится на оси связи, такая связь σ - типа (сигма тип), если область перекрывания расположена по обе стороны от оси связи – это π-тип (пи тип) ( рис. 2.4).

а) б) в)

σ - тип

π - тип

Рис. 2.4. Типы связей

Исходя из рисунка 2.3. делаем вывод, что в молекуле CdI₂ две ковалентные связи σ-типа.

4. Определим полярность связи и молекулы в целом. Полярность связи обусловлена наличием диполя, образованного за счет оттягивания валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома. В связи Cd–I в молекуле CdI₂ более электроотрицательным элементом является йод. Поэтому связь Cd–I является полярной.

Для определения полярности молекулы необходимо учитывать: а) полярность связи; б) пространственную структуру молекулы.

Молекула CdI₂ неполярна, так как при наличии двух диполей оттягивание электронов идет в обе стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.

Рассмотрим молекулу OF₂.

Выписываем валентные электроны центрального атома – кислорода.

2р

2s

Далее надо перевести электроны в возбужденное состояние. Однако, на втором энергетическом уровне свободных орбиталей нет, поэтому распаривание электронов невозможно. Если в качестве центрального атома будет похожий элемент, но находящийся в третьем периоде, то для таких простых молекул, которые предлагаются в задании не следует при возбуждении переводить электроны с 3s и 3р на 3d, так как на это необходимы большие затраты энергии.

Так как у атома кислорода имеется два неспаренных электрона, то он может образовать две связи. Выписываем валентные электроны фтора: 2s²2p⁵

2s

2p

У фтора имеется один неспаренный электрон. По представле-ниям Льюиса молекула OF₂ может быть изображена следующим образом:

^.

Далее определяем тип гибридизации центрального атома – кислорода. Для этого производим "сложение": s + p + p + p = 4sp³. При этом не следует писать 2s или 2р, так как речь идет не об электронах (например, на 2s- подуровне), а их действительно 2, а об орбиталях, т.е. пространстве вероятного нахождения электронов. Рисуем четыре оси и гибридные облака. Подводим валентные орбитали F (это р-элемент). Получаем угловую молекулу с теоретическим валентным углом 109 ^о (рис. 2.5).

Рис. 2.5

Связи О–F – полярные, молекула в целом тоже полярна, так как в вершине угла заряд со знаком "+", а в противоположной стороне "-". Происходит оттягивание электронов в сторону F, т.е. образуется диполь. Две связи О–F – ковалентные, σ-типа.

Номер варианта	Формулы молекул
1	CaCl2	NF3	PCl5	CH4
2	CdF2	PH3	TeF6	C2H4
3	CuCl2	SbBr3	SCl2O	CH2O
4	MgBr2	AsCl3	GeBr4	C2Cl2
5	ZnI2	H2S	AsF5	PbBr4
6	BeH2	SCl2	BrF5	SbCl3
7	HgCl2	CH3Cl	SClF5	N2
8	SrBr2	H2Se	PF5	CO2
9	BCl3	H2Te	CCl2O	PbBr4
10	AlH3	SF2	SnCl4	COS
11	GaBr3	SiH4	SCl2O2	CaH2
12	CuF2	CH4	SbCl5	C2H2
13	SrBr2	Cl2	SF6	SnH4
14	CoCl2	GeH4	ClF5	SO3
15	MgBr2	CHCl3	PCl3O	CO
16	HgF2	SiCl4	NCl3	CS2
17	CaBr2	CH2Cl2	SCl2O	SbF3
18	CdCl2	SiF4	BrF5	SO3
19	ZnF2	PbBr4	C2H4	SCl2O2
20	BeI2	PCl3O	SF4	C2H2
21	ZnCl2	SbCl3	COS	IF5
22	CdH2	AsBr3	CO	SCl2O2
23	MgH2	SbF3	COF2	PCl5
24	CaH2	SnCl4	BiF3	CO2
25	SrH2	CF4	SO3	AsF5
26	ZnBr2	OF2	NCl3	SCl2O
27	GaH3	CCl4	BrF5	SO2
28	AlH3	SnBr4	CO	SCl2O2
29	InCl3	H2Te	PBr3O	SiF4
30	ZnH2	PbCl4	IF5	CS2
31	MnCl2	PH3	CO2	SCl2O
32	CoCl2	AsF3	SCl2O2	C2H2
33	NiBr2	SO3	PBr3	CH2Cl2
34	FeBr2	SbF3	N2	PCl3O