Химическая связь. Метод валентных связей. Методические указания

Таким образом, ион PF6 имеет октаэдрическое строение. Указав заряд иона, записывают:

F F F

P

F F

F

Пример 2. Определите пространственную конфигурацию иона

NH4+.

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:

7N 2s22p3 1H 1s1

3.Определяют число валентных электронов, которые участвуют

вобразовании химической связи в ионе NH4+: пять валентных электронов атома азота и четыре неспаренных электрона от четырех атомов водорода. Учитывают также заряд иона, равный +1. Всего 8 электронов.

4.Определяют общее число валентных

электронные пары располагаются вокруг атома азота в вершинах тетраэдра (см. приложение).

11

6. Определяют пространственную конфигурацию иона. Четыре электронные пары являются связывающими, так как каждая из них связывает ядро атома азота с ядром атома водорода. Таким образом, ион NH4+ имеет тетраэдрическое строение. Указав заряд иона, записывают:

Кратность связи

Согласно теории валентных связей атом образует с каждым ближайшим соседом только одну химическую связь -типа. Но атомы, объединенные -связью, могут образовывать между собой еще одну или две связи -типа. В отличие от -связей -связи не влияют на расположение электронных пар в пространстве и, следовательно, на форму молекулы.

Мы рассмотрели пространственную конфигурацию молекул, в которых между двумя атомами образуется лишь одна -связь, т.е. молекулы с одинарной связью. Однако существует множество молекул, в которых между двумя атомами возникает двойная или тройная связь, т.е. порядок, иначе, кратность связи, больше единицы. Двойная связь представляет собой результат наложения одной - связи и одной -связи ( + ), тройная связь – одной -связи и двух - связей ( + + ).

Кратность связи – одна из важнейших характеристик двухцентровой связи. Часто величина кратности связи оказывается нецелочисленной. Увеличение кратности связи приводит к упрочнению межатомной связи и соответственно к уменьшению ее длины. Напомним, что длина связи – это межъядерное расстояние между химически связанными атомами.

12

Обсудим образование кратной связи на примере уже рассмотренной нами молекулы BF3. У атома бора в возбужденном состоянии (В*) три частично занятые орбитали используются на образование -связей с тремя атомами водорода, и остается одна вакантная валентная 2р-орбиталь. Следовательно, молекула BF3 выступает акцептором электронной пары. Атом бора может реализовать свои валентные возможности и в отсутствие донора электронной пары. В самом деле, атомы фтора, окружающие атом

Алгоритм определения пространственной конфигурации молекул, в которых периферическими являются атомы кислорода.

Условно принимается, что каждый атом кислорода за счет двух неспаренных электронов образует с центральным атомом две связи ( + ), причем -связь не влияет на расположение электронных пар в пространстве и, следовательно, на форму молекулы. В действительности порядок связи нередко, особенно в оксоанионах, выражается нецелочисленной величиной. Например, вследствие делокализации -связи порядок связи С – О в анионе СО32– составляет

1,33, в ионе ClO4– он равен 1,5.

Пример 1. Определите пространственную конфигурацию молекулы SO2.

Решение:

1.Выделяют в молекуле центральный (S) и периферические (O)

атомы.

2.Составляют валентную электронную конфигурацию и схему распределения валентных электронов центрального атома серы и

периферического атома кислорода:

3.Определяют число валентных электронов в молекуле SO2, которые участвуют в образовании химической связи: от атома серы шесть валентных электронов и от каждого атома кислорода по два неспаренных электрона. Всего 10 электронов.

4.Определяют общее число валентных электронных пар ВЭП:

10 ВЭП = 2 = 5.

В молекулах, содержащих периферические атомы кислорода, в общее число валентных электронных пар ВЭП входят:

ВЭП = -связи (СЭП) + НЭП + -связи.

14

молекуле SO2 -связи обозначают пунктирной линией.

Пример 2. Определите пространственную конфигурацию молекулы IOF5.

Решение:

1.Выделяют в молекуле центральный и периферические атомы. Если молекула состоит из атомов трех элементов, то центральным будет атом более электроположительного элемента (в формуле – первый слева). В молекуле IOF5 центральным будет атом йода (I), периферическими – атом кислорода (O) и пять атомов фтора (F).

2.Составляют валентную электронную конфигурацию центрального атома йода и периферических атомов кислорода и

фтора:

53I 5s25p5

5d

E

5p

5s

15

3.Определяют число валентных электронов в молекуле IOF5. В образовании химической связи участвуют семь валентных электронов атома йода, два неспаренных электрона атома кислорода и пять неспаренных электронов от пяти атомов фтора. Всего 14 электронов.

4.Определяют общее число валентных электронных пар ВЭП:

14 ВЭП = 2 = 7.

В молекулах, содержащих периферические атомы кислорода, в общее число валентных электронных пар ВЭП входят:

ВЭП = -связи (СЭП) + НЭП + -связи.

Поскольку пространственная конфигурации молекулы определяется числом связывающих и несвязывающих электронных пар, то из общего числа электронных пар вычитается -связь, которая принадлежит атому кислорода:

ВЭП (без -связей) = 7 – 1 = 6.

5.Определяют пространственное расположение электронных пар. Шесть электронных пар располагаются вокруг атома йода в вершинах октаэдра (см. приложение).

6.Определяют пространственную конфигурацию молекулы. Шесть электронных пар являются связывающими, так как каждая из них связывает ядро атома йода с ядром атома кислорода и ядрами пяти атомов фтора. Таким образом, молекула IOF5 имеет октаэдрическое строение, в которой пунктирной линией обозначают

-связь между центральным (I) и периферическим (O) атомами.

F F F

I I

F F

O

16

Дипольный момент частицы

В молекуле, состоящей из атомов разных элементов, электроны, участвующие в образовании химических связей, смещаются от менее электроотрицательных к более электроотрицательным атомам. В результате заряд ядра атома и суммарный заряд электронов, находящихся вблизи него, уже не полностью компенсируют друг друга: возникают ненулевые (положительные или отрицательные) электрические заряды атомов в составе молекулы, а химические связи становятся полярными. Полярность химической связи и молекулы в

водорода к атому фтора атом водорода приобретает положительный заряд (q+), а атом фтора – отрицательный (q–). Если обозначить расстояние между центрами зарядов через l (длина диполя), то величина вектора дипольного момента молекулы HF равна

μ= q·l ,

анаправление – от положительно поляризованного атома водорода к

отрицательно поляризованному атому фтора. В качестве единицы

измерения μиспользуют дебай (D):

1D = 3,33564 10 30 Кл м.

Поскольку нам известны только знаки зарядов, возникающих на атомах H и F (они совпадают со знаками степеней окисления атомов), можем указать лишь наличие (т.е. ненулевое значение) и направление дипольного момента молекулы HF.

Метод отталкивания валентных электронных пар позволяет определить наличие, а часто и направление дипольного момента не только двухатомных, но и более сложных молекул. Для этого необходимо определить пространственное строение частицы и направление дипольных моментов всех ковалентных связей в молекуле, а затем сложить их векторно (по правилу параллелограмма). Суммарный вектор указывает направление дипольного момента молекулы.

17

Определение полярности молекулы. Одним из признаков полярности молекулы является наличие несвязывающей электронной пары. Как правило, суждение о полярности молекулы высказывается после определения ее строения.

Пример 1. Определите, является ли молекула SO2 полярной. Решение. Молекула SO2 состоит из более чем двух атомов, и ее

дипольный момент необходимо рассчитывать как сумму векторов, направленных вдоль связей S – O. Дипольные моменты связей S – O направлены к более электроотрицательным атомам кислорода. На схеме показано, что они имеют равную длину (одинаковые периферические атомы) и направлены друг к другу под углом меньше

Пример 2. Определите, является ли молекула BF3 полярной. Решение. Определяют пространственное строение молекулы

BF3 (см. пример 1). Так как молекула состоит из более чем двух атомов, ее дипольный момент равен сумме векторов дипольных моментов, направленных вдоль связей B – F. Атом фтора более электроотрицателен, чем атом бора, поэтому дипольные моменты связей B – F направлены к атомам фтора. На схеме показано, что они имеют равную длину (одинаковые периферические атомы), но

направлены друг к другу под углом 120о. По

Fправилу параллелограмма складывают сначала дипольные моменты двух из трех связей B – F, а

Пример 3. Используя теорию отталкивания валентных электронных пар, объясните структурное различие молекул H2S и BeH2 и определите, которая из них является полярной.

Решение. Используя приведенный ранее алгоритм, определяют строение молекулы H2S:

1.Определяют число валентных электронов, которые участвуют

вобразовании химической связи в молекуле H2S: шесть валентных электронов атома серы, два неспаренных электрона от двух атомов водорода. Всего 8 электронов.

2.Определяют общее число валентных электронных пар ВЭП:

8 ВЭП = 2 = 4.

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

4.Определяют пространственную конфигурацию молекулы. Две электронные пары являются связывающими, так как каждая из них связывает ядро атома серы с ядром атома водорода, две электронные

пары несвязывающие и принадлежат только атому серы: Таким образом, молекула H2S имеет угловое строение.

S S

H H

H H

По правилу параллелограмма складывают дипольные моменты двух связей S – H. Результат такого сложения не равен нулю, поэтому молекула H2S полярна.

Определяют строение молекулы BeH2:

1.Определяют число валентных электронов, которые участвуют

вобразовании химической связи в молекуле BeH2: два валентных электронов атома бериллия, два неспаренных электрона от двух атомов водорода. Всего 4 электрона.

2.Определяют общее число валентных электронных пар ВЭП:

8 ВЭП = 2 = 4.

19

3. Определяют пространственное расположение электронных пар. Две электронные пары являются связывающими и располагаются под углом 1800 относительно атома бериллия:

В молекуле BeH2 дипольные моменты связей Ве – Н равны по величине и противоположно направлены, поэтому молекула неполярна.

Задания для аудиторной работы

Выполняются с использованием данных таблицы вариантов заданий.

Задание 1. Определите пространственную конфигурацию молекулы по теории отталкивания валентных электронных пар, отвечая на следующие вопросы:

–какой атом в молекуле … является центральным?

–какова валентная электронная конфигурация и схема распределения валентных электронов по орбиталям центрального и периферических атомов?

–сколько электронов принимают участие в образовании химической связи в молекуле … ?

–сколько валентных электронных пар в молекуле …?

–cколько -связей в молекуле …?

–каково пространственное расположение электронных пар?

–сколько связывающих электронных пар в молекуле …?

–cколько несвязывающих электронных пар в молекуле …?

–какова пространственная конфигурация молекулы …?

–полярна или неполярна молекула …?

Задание 2. Используя теорию отталкивания валентных электронных пар, объясните структурное различие двух молекул и определите, какая из них является полярной.

Задание 3. Определите пространственную конфигурацию и предложите механизм образования ковалентной связи в ионе.

20