3. Химическая связь. Примеры решения типовых задач

Пример 1.

Задание 3.1. Для двух, указанных по варианту молекул с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:

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

3.1.2 Сколько связей содержит молекула?

3.1.3. Определить полярность связей и полярность молекулы в целом.

3.1.4. Какова пространственная структура молекулы?

Для ответа на вопросы задания рассмотрим молекулу CdI_2.

3.1.1.Сначала определяем тип гибридизации центрального атома. Для этого выписываем валентные элекроны центрального атома ₄₈Cd.

5s

4d

Затем электроны переводим в возбужденное состояние

5p

5s

4d

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

Рис.2.1

Далее «проводим» валентные электроны ₅₃I. Так как I – p- элемент, то на рис. 2.1 к электронам Cd подрисовываем гантелеобразные p- орбитали йода,получаем схему молекулы CdI₂ (рис. 2.2)

Как видно из рис. 2.2 силы отталкивания между электронными орбиталями на участках I и II сильно различаются. С одной р- орбиталью йода кадмий связывается с помощью s-орбитали, а с другой - с помощью p-орбитали. Связи отличаются по форме и энергии. Такая молекула не будет устойчивой. Для образования устойчивой молекулы в центральном атоме происходит процесс гибридизации валентных орбиталей, который показан на рис 2.3.

Рис. 2.3

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

Таким образом, s + р = 2sp; по аналогии: s + р + р = 3sp²; s + р +

+ р + р + р = 4sp . Гибридные орбитали центрального атома - это заряженные поля и, отталкиваясь, они располагаются под определенным углом (валентный угол), чтобы образовалась устойчивая молекула: при гибридизации типа sp валентный угол составляет 180 sp² - 120 sp³ - 109 Расположение гибридных орбиталей согласно этим валентным углам показано в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип гибридизации:

sp

sp2

sp3

Расположение гибридных орбиталей в пространстве
Теоретический валентный угол	1800	1200	1090

В соответствии с данными табл. 2.1 в молекуле Cdl2 реализуется sp-гибридизация, и валентный угол составляет 180⁰.

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, форма орбитали имеет вид шара.

"Подводя" валентные орбитали йода к гибридным орбиталям кадмия, получаем схему молекулы CdI₂ (рис. 2.4).

I Cd I

Рис. 2.4

π - тип

Рис. 2.5

3.1.2. Отметим наличие σ- и π-связей в молекуле. Если область перекрывания находится на оси связи, связь о типа (сигма тип), если область перекрывания не находится на оси связи, а расположена по обе стороны от оси связи - это – пи тип (пи тип) ( рис. 2.5).

В случае CdI₂ в молекуле две ковалентные связи сигма – типа.

Определим полярность. Полярность связана с наличием диполя, обусловленного оттягиванием валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома (Приложение 1). В случае молекулы CdI₂ более электроотрицательным элементом является йод. Поэтому связь Cd-I является полярной. Однако в целом молекула неполярна, так как при наличии двух диполей оттягивание электронов идет в обе стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.

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

Таблица 2.2

Тип гибридизации	sp	sp2	sp3	sp3	sp3
Пространственная структура (форма) молекулы	линейная	треуголь-ная	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). Из рис. 2.4 следует, что молекула CdI₂ имеет линейную форму.

Рассмотрим еще одну молекулу OF₂. Выписываем валентные электроны центрального атома - кислорода.

2p

2s

Далее надо перевести в возбужденное состояние. Однако, так как во втором слое нет свободных (пустых) орбиталей, эту операцию пропускаем. 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 3p на 3d,так как на это необходимы большие затраты энергии.

Определяем тип гибридизации. Для этого производим «сложение»: s + p + p +p =4sp³ . при этом не следует писать 2s или 2p, так как речь идет не об электронах (на 2s подуровне), а их действительно 2, а об орбиталях, т.е пространства вероятного нахождения электронов. Рисуем четыре оси и гибридные облака. Подводим валентные орбитали F (это – p- элемент). Получаем угловую молекулу с теоретическим валентным углом 109⁰ (рис.2.7)

Рис. 2.7

Отдельные 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.

Задачи для выполнения контрольной работы

3.1. С позиции метода ВС покажите образование предложенной молекулы. Какие орбитали соединяющихся атомов участвуют в образовании связей? Сколько связей содержит молекула? Какова пространственная структура молекулы? Каков тип гибридизации центрального атома в указанном соединении (если есть)? Отметьте полярность связей и полярность молекулы вцелом.

Вариант	Молекула	Вариант	Молекула
41	H2O	47	C2H2
42	PH3	48	SiF4
43	Cl2	49	OF2
44	O2	50	PCl3
45	NH3	51	AsH3
46	CF4	52	SbH3
53	BeBr2	62	BeI2
54	H2S	63	SO2
55	N2	64	H2Te
56	SiH4	65	HI
57	BCl3	66	I2
58	H2Se	67	C2H2
59	HBr	68	CCl4
60	Br2	69	AlCl3
61	CO2	70	COCl2

3.2. Используя значение относительной электроотрицательности атомов, расположите соединения в порядке возрастания ионности связи. К какому из соединяющихся атомов смещено электронное облако и почему?

Вариант	Соединение	Вариант	Соединение
71	NH3,PH3,AsH3,SbH3	86	LiCl,NaCl,KCl,RbCl
72	BeF2,BF3,CF3,NF3	87	BeF2,MgF2,CaF2,BaF2
73	H2O,H2S,H2Se,H2Te	88	Rb2S,K2S,Na2S,Li2S
74	CF4,NF3,OF2,F2	89	MnCl2,FeCl2,NiCl2,MgCl2
75	NaF.NaCl,NaBr,NaI	90	OF2,TeF2,SeF2,SF2
76	H2O,Li2O,Na2O,K2O	91	LiF,NaCl,KBr,RbI
77	BeO,MgO,CaO,SrO	92	BaI2,CaBr2,MgCl2,BeF2
78	CO2,SiO2,GeO2,SnO2	93	AlCl3,GaBr3,BF3,InI3
79	BeO,B2O3,CO2,NO2	94	CF4,GeBr4,SnI4,SiCl4
80	BH3,CH4,NH3,OH2	95	RbCl,SrCl2,InCl3,SnCl2
81	NaCl,MgCl2,AlCl3,SiCl4	96	SnCl4,SbCl3,TeCl2,ICl
82	N2O,NO,NO2,N2O4	97	NaCl,CuCl,AgCl,AuCl
83	B2O3,Al2O3,Ga2O3,InO3	98	Ta2O5,Nb2O5,As2O5,P2O5
84	Al2O3,SiO2,P2O5SO2	99	PbO2,SnO2,ZrO2,TiO2
85	SiH4,PH3,H2S,HCl	100	SnI4,GeBr4,TiBr4,SiCl4