3.8.Определение молекулярной структуры

Понятие молекулярной структуры, т.е. геометрической конфигурации молекулы, лежит в основе современного учения о строении молекул. Молекулярная структура определяется равновесной конфигурацией пространственного расположения ядер атомов, образующих молекулу. Эта конфигурация сложной молекулы в принципе может быть рассчитана по методу МО. Существует ряд приближенных моделей и методов, которые используются для систематического анализа накопленных экспериментальных данных по геометрическим конфигурациям молекул. В определенных пределах они часто позволяют не только дать разумное объяснение наблюдаемых конфигураций, но на основе установленных закономерностей и корреляций правильно предсказывать геометрию молекул без длительных и трудоемких квантовохимических расчетов. Одним из таких методов является метод отталкивания электронных пар (ОЭП) валентной оболочки. В основе данного метода лежат представления о том, что во многих соединениях химическая связь приближенно может считаться двухцентровой и двухэлектронной, т.е. отвечающей (1:1)-взаимодействию. Поэтому электронная оболочка каждого атома представляется состоящей из нескольких электронных пар. Часть этих электронных пар является неподеленными, т.е. принадлежащими только одному атому, а другая часть - поделенными, т.е. принадлежащими двум атомам в силу (1:1)-взаимодействия. Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т.е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались. Причем неподеленные электронные пары отталкиваются друг от друга сильнее, чем они отталкиваются от поделенных электронных пар, а последние отталкиваются между собой слабее. Если каждую электронную пару представить в виде ­Ї , то расположение пар можно изобразить в виде многогранника, который получается при соединении всех пар прямыми линиями. Например, если отталкиваются всего 2 электронные пары атома Э, то они будут располагаться под углом 180° друг к другу, давая линейную конфигурацию (рис.3.27):

Рис. 3.27. Линейная конфигурация.

Такая пространственная конфигурация имеет место для многих соединений элементов главной подгруппы II группы и других элементов: BeCl2, C2H2.

При отталкивании трех эквивалентных электронных пар (т.е. когда все три электронные пары являются неподеленными или только поделенными) геометрическое расположение их отвечает правильному треугольнику с углами между осями расположения электронных пар 120° (рис.3.28).

Рис. 3.28. Правильный треугольник с углами между ося-ми расположения электронных пар 120°.

Такая конфигурация типична для соединений элементов главной подгруппы III группы периодической системы (BCl3, C2H4 (этилен), C6H6 (бензол)).

Четырем электронным парам соответствует тетраэдрическая пространственая конфигурация (рис.3.29).

Рис. 3.29. Тетраэдрическая пространственная конфигурация.

Многие соединения углерода (насыщенные углеводороды (метан CH4 , этан C2H6 и т.п.) и их производные (спирты, галогенопроизводные и др.) имеют тетраэдрическую конфигурацию расположения связей. В качестве примера конфигураций молекул, содержащих неэквивалентные электронные пары рассмотрим строение молекулы аммиака NH3. В данной молекуле азот 7N...2s22px12py12pz1и три атома водорода 1H 1s1 образуют за счет (1:1)-взаимодействий 3 поделенные электронные пары. Четвертая - неподеленная электронная пара принадлежала атому азота и до образования связей. Таким образом, на электронной оболочке азота в молекуле NH3 находятся 4 электронные пары. Если бы все эти пары были эквивалентными, то они располагались бы по осям тетраэдра с углами между их осями в 109,5°. Однако, неподеленная электронная пара несколько сильнее отталкивает поделенные электронные пары, чем они отталкиваются между собой. Поэтому валентные углы HNH в молекуле аммиака несколько меньше тетраэдрического значения и составляют 107° . Аналогично объясняется значение валентного угла HOH (104°) в молекуле воды.