3. Хімічний зв’язок і будова молекул Короткі теоретичні відомості

З усіх типів хімічного зв’язку в молекулах найбільш поширеним є ковалентний зв’язок, який утворюється внаслідок перекривання АО з неспареними електронами взаємодіючих атомів. У першу чергу виникає так званий -зв’язок, коли АО перекриваються вздовж прямої лінії  лінії зв’язку, що з’єднує ядра взаємодіючих атомів:

s  s s  p p  p

Деякі молекули мають дві області перекривання атомних орбіталей, які знаходяться над і під площиною, де знаходяться ядра взаємодіючих атомів та -зв’язки, таким чином додатково виникає так званий -зв’язок:

p  р p – d d – d

Усі -зв’язки багатовалентного атома однакові, тобто цей атом має на АО однотипні валентні електрони. У випадку різнотипних валентних електронів відбувається гібридизація відповідних електронних орбіталей. Гібридні орбіталі мають лише таку форму:

Розглянемо основні типи гібридизації АО. Якщо атом двохвалентного елемента має валентні електрони ns²npp або ns²nppp, тобто якщо два неспарені електрони розташовані на орбіталях одного типу (р), гібридизація відсутня. Молекула у цьому випадку кутова, значення валентного кута дорівнює 90 і співпадає з розташуванням р-орбіталей у просторі. Якщо ж атом має у збудженому стані nsnp-валентні електрони, то вихідні АО – різних типів, тому відбувається sp-гібридизація. Треба знати, що гібридні АО розташовуються у просторі під максимальними кутами одна до іншої; у цьому випадку – під кутом 180. Отже, молекула лінійна.

90

гібридизація відсутня sp-гібридизація

Для атомів трьохвалентних елементів з неспареними електронами, розташованими на ns nppp-підрівнях (нормальний стан) або ns npp -підрівнях (збуджений стан іншого атома), не відбувається ніякої гібридизації у першому випадку, тому що вихідні АО однотипні, та відбувається sp²-гібридизація АО у другому випадку. Отже, перша молекула має геометричну форму тригранної піраміди з валентним кутом 90 у вершині, тому що р-орбіталі розташовані у просторі під цим кутом одна до іншої. Друга молекула являє собою рівносторонній трикутник, тому що максимальний кут між трьома гібридизованими орбіталями дорівнює 120:

90

гібридизація відсутня sp²-гібридизація

Для атома чотирьохвалентного елемента, в якого валентні електрони у збудженому стані знаходяться на nsnppp-підрівнях, наявні sp³-гібридизація ао та тетраедрична форма молекули з валентним кутом 10928 ( 109,5):

sp³-гібридизація

При розв’язанні задач цього розділу потрібно розуміти різницю між полярністю зв’язку та полярністю молекули у цілому. Полярність зв’язку пов’язана з наявністю ефективних (реальних) зарядів (^) на атомах після утворення ковалентного зв’язку. Найпростіше вона оцінюється за різницею електронегативностей атомів (ЕН, або , див. додаток, табл.1). Якщо ця різниця (ЕН) менша за 1,9, утворюється ковалентний полярний зв’язок, наприклад:

С Н , С– Cl , C⁰  S⁰

ЕН 0,4 0,5 0

полярні зв’язки неполярний зв’язок

При ЕН > 1,9 утворюється іонний зв’язок, який можна розглядати як граничний варіант ковалентного полярного зв’язку.

При наявності полярних зв’язків молекула у залежності від її будови може бути як полярною, так і неполярною. Якщо центри всіх позитивних і негативних зарядів співпадають у просторі, молекула неполярна; якщо не співпадають – молекула полярна. Так, молекули типу АВ₂ трикутної форми полярні, молекули типу АВ₂ лінійної форми неполярні.

Задачі

1. Поясніть, чому молекула BF₃  плоска, а NF₃  пірамідальна. Відповідь дайте на підставі схем перекривання атомних орбіталей у молекулах цих речовин. Яка з цих молекул полярна і чому?

2. На підставі схем перекривання атомних орбіталей поясніть, чому в молекулах Н₂О та NН₃ валентні кути Н  Е  Н дорівнюють, відповідно, 104,5 і 107.

3. Який ковалентний зв’язок називають -зв’язком і який  -зв’язком? Відповідь дайте на підставі схем перекривання АО у молекулах азоту й ацетилену.

4. Який хімічний зв’язок називається водневим? Між молекулами яких речовин він утворюється? Чому Н₂О і НF, що мають меншу молекулярну масу, плавляться та киплять при більш високих температурах, ніж Н₂S і Н₂Se; HCl і HBr?

5. Що називають електричним моментом диполя? Яка з молекул  HCl, HBr, НІ  має найбільший момент диполя? Чому?

6. Що є кількісною мірою полярності ковалентного зв’язку? Аналізуючи схеми перекривання атомних орбіталей у молекулах Сl₂, Н₂О, ВеСl₂, визначте, які з них є диполями.

7. Що таке електронегативність? Як змінюється характер хімічного зв’язку в оксидах у ряді: Li₂O  BeO  B₂O₃  CO₂  V₂O₅  Cl₂O₇? Дайте пояснення.

8. Наведіть схеми перекривання атомних орбіталей у молекулах Сl₂, N₂ і СН₄. Чим пояснюється особлива міцність молекули азоту? Дайте визначення поняттю міцності зв’язку, або енергії зв’язку.

9. Молекули Н₂О і CO₂ кожна містять по два полярних зв’язки (Н  О  Н і О = С = О). Чому молекула CO₂ неполярна, а молекула води полярна? Відповідь дайте на підставі схем перекривання АО у цих молекулах та їх аналізу.

10. Наведіть електронні формули атома Сульфуру в нормальному або збудженому станах у молекулах Н₂S, SСl₂, SСl₄, SСl₆. Вкажіть тип гібридизації АО Сульфуру у відповідних молекулах. Які дві з них мають однакові геометричні (просторові) конфігурації? Наведіть схеми перекривання АО в цих молекулах.

11. Що розуміють під гібридизацією атомних орбіталей? Встановіть тип гібридизації АО центрального атома та форму наведених частинок: NН₃, NН₄⁺, SiF₄, CO₂, CO₃^2 (усі три зв’язки С  О рівноцінні та розташовані під кутом 120). Врахуйте, що в гібридизації можуть брати участь d-атомні орбіталі.

12. Що розуміють під гібридизацією атомних орбіталей? Встановіть тип гібридизації АО центрального атома та форму наведених частинок: РF₅, SF₆, SiF₄, NF₃, NН₄⁺ (усі чотири зв’язки N  H рівноцінні та розташовані під кутом 10928). Врахуйте, що у гібридизації можуть брати участь d-атомні орбіталі.

13. У чому відмінність -зв’язку від -зв’язку? Як він утворюється? Чи є енергетично рівноцінними ці види зв’язку? Відповідь поясніть на прикладі схем перекривання АО в молекулах С₂Н₄ і С₂Н₂.

14. Дайте визначення поняттю електричного моменту диполя. Яка з молекул  BF₃, NF₃ чи РF₃  має нульове значення цієї величини? Відповідь дайте на підставі схем перекривання АО у молекулах та їх аналізу.

15. Дайте визначення поняттю насиченості ковалентного зв’язку. Відповідь поясніть на прикладі молекул СО і СН₄. Наведіть схеми перекривання АО в цих молекулах.

16. Поясніть поняття напрямленості хімічного зв’язку в молекулах з точки зору методу валентних зв’язків. Відповідь проілюструйте на прикладах схем перекривання АО у молекулах ВеСl₂ і SСl₂.

17. Які типи хімічного зв’язку Ви знаєте? Як змінюється характер хімічного зв’язку в ряді: NaCl  MgCl₂  AlCl₃  SiCl₄  PCl₅  SCl₂  Cl₂? Чому?

18. Поясніть, що таке - та -зв’язки? На підставі структурних формул вкажіть, скільки - та -зв’язків містять молекули: SF₆, СCl₄, SО₃, PCl₅, PОCl₃, С₂Н₄, С₂Н₂, СОCl₂, SО₂Cl₂. Наведіть схеми перекривання АО в молекулі СCl₄. Який тип гібридизації АО Карбону в цій молекулі?

19. Який ковалентний зв’язок називають полярним, а який  неполярним? Чи завжди при наявності полярних зв’язків молекула теж полярна? Відповідь поясніть на прикладах схем перекривання АО в молекулах SnСl₂ і SnСl₄ та їх аналізу.

20. Що називають гібридизацією атомних орбіталей? Наведіть приклади молекул з sp-, sp²- i sp³-гібридизацією АО центрального атома. Які з цих молекул полярні?

21. Який тип гібридизації АО центрального атома у молекулах: BeH₂, SiH₄, CS₂, BBr₃? Наведіть схеми перекривання АО в молекулах BeH₂ і SiH₄. Чому обидві молекули неполярні?

22. Складіть електронні формули атомів і наведіть схеми перекривання АО в молекулах ІnCl та InCl₃. В якій з молекул відбувається гібридизація АО Індію? Вкажіть тип гібридизації та зробіть висновок про полярність молекул.

23. Яку геометричну форму можуть мати трьохатомні молекули типу АВ₂? Розгляньте це на прикладі молекул BeCl₂, ZnBr₂, CO₂, H₂O. Які з них полярні і чому?

24. Чому однотипні за атомним складом молекули CO₂ і SO₂, BCl₃ i PCl₃ мають різну геометричну конфігурацію? Наведіть приклади перекривання АО в молекулах BCl₃ i PCl₃. Яка з них полярна і чому?

25. Наведіть схеми перекривання АО в молекулах O₂ і H₂O. Вкажіть типи гібридизації АО Оксигену, число - та -зв’язків, полярність зв’язків і наявність полярності для кожної молекули.