Химическая связь. Метод валентных связей. Методические указания

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2016

1

УДК 539.19

Составители: доц. Т. П. Петрова доц. Е. Е. Стародубец доц. С. В. Борисевич доц. И. Ф. Рахматуллина доц. Л. Р. Сафина

Химическая связь. Метод валентных связей : методические указания / сост. : Т. П. Петрова [и др.]; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 24 с.

Рассмотрено применение метода валентных связей для описания строения различных молекул и ионов. Предложены контрольные задания по теме «Химическая связь. Метод валентных связей».

Предназначены для студентов первого курса технологических специальностей, изучающих раздел «Химическая связь» дисциплины «Общая и неорганическая химия».

Подготовлены на кафедре неорганической химии.

Печатаются по решению методической комиссии института нефти, химии и нанотехнологии

Под. ред. проф. А. М. Кузнецова

Рецензенты: проф. Я. В. Ившин

проф. Н. Ш. Мифтахова

Редактор Л. Г. Шевчук

Издательство Казанского национального исследовательского технологического университета

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета 420015, Казань, К. Маркса, 68

2

Введение

Согласно современным представлениям химические свойства соединений во многом обусловлены химическими связями, т.е. взаимодействием ядер и электронов атомов, образующих эти соединения. В зависимости от свойств химической связи принято выделять различные ее типы. Так, атомы металлов объединяются в кристаллы, в которых валентные электроны образуют делокализованную металлическую связь, т.е. могут относительно легко перемещаться в пределах всего куска металла. В других кристаллах, наоборот, валентные электроны, переходя к более электроотрицательным атомам, удерживаются около них, образуя положительно и отрицательно заряженные ионы. Взаимодействие таких ионов называется ионной связью и может быть достаточно хорошо описано обычным законом Кулона. Типичным примером являются кристаллы, образованные ионами щелочных металлов и галогенид-ионами. Соединения водорода с наиболее электроотрицательными элементами могут образовывать между собой довольно слабые водородные связи.

Для нас представляет интерес другой тип химической связи – ковалентная химическая связь, когда электроны, связывающие два атома, принадлежат им обоим одновременно. Разумеется, химическая связь в реальном соединении редко соответствуют какому-то одному из указанных типов связей. Такое разделение удобно для изучения свойств химической связи.

Для описания ковалентной связи используют теорию валентных связей (ТВС) и теорию молекулярных орбиталей (ТМО).

Теория валентных связей

Теория валентных связей (ТВС) основывается на следующих основных положениях:

–каждая химическая связь является двухэлектронной, так как обусловлена притяжением двух атомных ядер к паре электронов; подобная химическая связь называется ковалентной;

–атом образует с каждым из своих ближайших соседей химическую связь; химическая связь в соединении связывает одну пару атомов, т.е. является двухцентровой;

–при образовании химической связи энергия системы уменьшается, что приводит к ее стабилизации.

3

строение молекул и многоядерных ионов, не прибегая ни к эксперименту, ни к сложным расчетам. Одним из них, наиболее приспособленным для описания именно ковалентных соединений, является метод отталкивания валентных электронных пар. Этот подход для определения геометрии молекулы и ионов был предложен в 1940 г. Н. Сиджвиком и Г. Пауэллом, а в 1957 г. усовершенствован Р. Гиллеспи и Р. Найхолмом.

Метод отталкивания валентных электронных пар

Метод отталкивания валентных электронных пар в своей наиболее распространенной форме основывается на следующих предположениях:

– строение молекулы определяется взаимным отталкиванием -

связывающих (СЭП) и несвязывающих (НЭП) электронных пар

центрального атома;

– связывающая электронная пара (СЭП) локализована между ядрами двух атомов;

– некоторые валентные электронные пары не образуют химической связи, однако они активно влияют на химические свойства соединений, а также на их пространственное строение.

Такие электронные пары называют несвязывающими или

неподеленными электронными парами (НЭП);

– связывающие и несвязывающие электронные пары прочно

рассматриваемого метода электростатическим отталкиванием одноименно заряженных валентных электронных пар (ВЭП). Отрицательно заряженные электронные пары, связанные с одним атомным ядром, стремятся удалиться друг от друга на максимальное расстояние, оставаясь при этом вблизи положительно заряженного ядра атома. В результате валентные электронные пары занимают такое место в пространстве, чтобы углы между ними были максимальными (рис. 3). Так, если вблизи ядра какого-либо атома локализованы лишь две электронные пары, они будут стремиться к такому положению в пространстве, чтобы угол, образованный ими и ядром атома, был равен 1800 (линейное расположение ВЭП). В случае трех ВЭП оптимальный угол равен 1200 (плоскотреугольное расположение ВЭП), четырех – 109,470 (тетраэдрическое расположение ВЭП), пяти – 90 или 1200 (тригональнобипирамидальное расположение ВЭП), шести – 90 или 1800 (октаэдрическое расположение ВЭП).

а б в г д Рис. 3. Различные случаи взаимного расположения валентных электронных пар: а – линейное, б – плоскотреугольное,

в– тетраэдрическое, г – тригонально-бипирамидальное,

д– октаэдрическое

Однако к образованию ковалентных связей приводят не все, а только связывающие электронные пары. Несвязывающие электронные пары влияют на направление ковалентных связей косвенно, отталкивая СЭП. При этом следует учитывать важное различие между СЭП и НЭП. Как было отмечено выше, связывающие электронные пары занимают меньше места в пространстве вокруг ядра атома. НЭП, наоборот, более диффузны и занимают большее пространство вокруг ядра атома (см. рис. 2). Поэтому, если вблизи одного атомного ядра локализованы электронные пары разного сорта, углы между ними отклоняются от идеальных значений. Углы между двумя НЭП всегда несколько больше соответствующего значения. Это способствует тому, что в присутствии НЭП угол между двумя СЭП

6

несколько уменьшается по сравнению с тем, что было бы в случае одинаковых связывающих электронных пар. Наконец, угол, образованный НЭП и СЭП, имеет промежуточное значение между углами, образованными НЭП и НЭП, а также СЭП и СЭП. Все это способствует тому, что углы между валентными электронными парами могут отличаться от приведенных ранее величин.

Взаимное расположение атомных ядер поддается экспериментальному определению, что позволяет сравнивать предсказанные методом отталкивания валентных электронных пар углы между связывающими электронными парами с экспериментальными значениями валентных углов. В то же время пока не удается экспериментально обнаружить наличие СЭП или НЭП. Поэтому форму частиц характеризуют по расположению в пространстве ядер, а не валентных электронных пар. Следует отметить, что метод отталкивания валентных электронных пар наиболее просто применять к описанию соединений, в которых легко выделить центральный атом, образующий ковалентные связи с остальными, периферическими атомами. Такие частицы можно описать обобщенной формулой ABnEm, где А символизирует центральный атом, В – периферические атомы (n – их число, равное числу СЭП), Е – несвязывающие электронные пары центрального атома (m – число НЭП). Расположение валентных электронных пар центрального атома и пространственная конфигурация молекул (комплексных ионов) различного типа приведены в приложении.

Пространственная конфигурация молекул и ионов

Алгоритм определения пространственной конфигурации молекул, содержащих только одинарные σ-связи. Установление конфигурации молекулы сводится к определению общего числа валентных электронных пар – связывающих (СЭП или σ-связей) и несвязывающих (НЭП). При этом необходимо учитывать, что в образовании химической связи участвуют все валентные электроны центрального атома и неспаренные электроны периферических атомов. Ковалентная связь в молекуле образуется по обменному механизму.

7

Пример 1. Определите пространственную конфигурацию молекулы BF3.

Решение:

1.Выделяют в молекуле центральный атом (В) и периферические атомы (F). Центральный атом в молекуле находится в единственном числе.

2.Составляют валентную электронную конфигурацию и схему распределения валентных электронов центрального атома бора и периферическогоатома фтора:

5B 2s22p1 9F 2s22p5

3.Определяют число валентных электронов, которые участвуют

вобразовании химической связи в молекуле BF3: три валентных электрона от атома бора и по одному неспаренному электрону от каждого атома фтора. Всего шесть электронов.

Fэлектронных пар. Три электронные пары располагаются вокруг атома бора в вершинах

являются связывающими, так как каждая из них связывает ядро атома бора с ядром атома фтора.

Таким образом, молекула BF3 имеет строение плоского треугольника.

Пример 2. Определите пространственную конфигурацию молекулы NH3.

8

Решение:

1.Выделяют в молекуле центральный (N) и периферические (H)

атомы.

2.Составляют валентную электронную конфигурацию и схему распределения валентных электронов центрального атома азота и периферического атома водорода:

E

E

2p

1s

2s

3.Определяют число электронов, которые участвуют в образовании химической связи в молекуле NH3: от атома азота пять валентных электрона и от каждого атома водорода по одному неспаренному электрону. Всего восемь электронов.

4.Определяют общее число валентных электронных пар ВЭП:

8 ВЭП = 2 = 4.

5.Определяют пространственное расположение электронных пар. Четыре электронные пары располагаются вокруг атома азота в вершинах тетраэдра (см. приложение).

6.Определяют пространственную конфигурацию молекулы. Три электронные пары являются связывающими, так как каждая из них связывает ядро атома азота с ядром атома водорода. Четвертая электронная пара – несвязывающая, она принадлежит только

N N

HH HH

H H

Внимание! Приведенный способ определения строения может быть успешно применен для молекул, не содержащих атомов

9

кислорода в качестве периферических.

Алгоритм определения пространственной конфигурации ионов. Для предсказания пространственной конфигурации ионов, не содержащих атомы кислорода, выполняют ряд последовательных действий.

Пример 1. Определите пространственную конфигурацию иона

PF6 .

Решение:

1.Выделяют в ионе центральный (Р) и периферические (F)

атомы.

2.Составляют валентную электронную конфигурацию и схему распределения валентных электронов центрального атома фосфора и периферического атома фтора:

3.Определяют число валентных электронов в ионе PF6 . В образовании химической связи участвуют пять валентных электронов атома фосфора и шесть неспаренных электронов от шести атомов фтора. Учитывают также заряд иона, равный -1. Всего 12 электронов.

4.Определяют общее число валентных электронных пар ВЭП: