Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач - Михаил Бармин

Многие свойства химических соединений объ-ясняются методом валентных связей, однако метод ВС не объясняет существование, напри-мер, ионов (Н2+) или молекул СО, NO

ВОЗБУЖДЕННЫЕ ВАЛЕНТНОСТИ АТОМОВ

Известно, что многие элементы способны участвовать в образовании нескольких типов химически связей. Это происходит при возбуждении атома и при переходе электрона на сво-бодные вакантные орбитали (p, d, f ).

При столкновении двух атомов Cl c различными ориентациями спинов ē происходит образование соединений с вален-тностью, равной 1.

Таким образом, в рамках метода валентных связей и объясняется возможность образования возбужденных валентностей атомов Cl. По этой же схеме происходит образование возбужденных состояний других атомов.

НАСЫЩАЕМОСТЬ И НАПРАВЛЕННОСТЬ СВЯЗЕЙ В

ПРОСТРАНСТВЕ

Важным свойством химических связей является ее насыщаемость и направление в пространстве, что характеризует строение молекулы. Насыщение химических связей объясняется с позиций запрета Паули. Направление химических связей объ-

ясняется пространственной ориентацией электронных атомных орбиталей. В зависимости от ориентации атомных орбиталей происходит условное деление на орбитали σ и π

Условное обозначение выбирается относительно элементов симметрии. Если элементом симметрии является ось симметрии, такая связь называется σ-связью. Если элементы симметрии – плоскость, то такая связь получила название π-связи.

H2O      NH3

HOH = 104°3

HNH = 107°

HOH =104° 30'

Следовало ожидать, что значение валентных углов для этих молекул должны быть равны 90°. Однако, экспериментальные данные показали, что значения этих углов равны (см. выше). Объяснение этого расхождения впервые было получено Поли-нгом введением гипотезы гибридизации.

ГИБРИДИЗАЦИЯ ОРБИТАЛЕЙ

Рассмотрение понятия гибридизации орбиталей, лучше всего понять на примере: бериллия, бора, углерода

4Be 1S22S2

Be → Be*

ΔΕ = 323 кДж/моль

Атом Be, поглощая энергию, переходит в возбужденное состояние. При образовании химических связей происходит смешивание по форме и энергии электронных орбиталей. В результате об-разуется смешанная (гибридная) электронная орбиталь.

Произошло образование новой sp –гибридной орбитали.

При смешивании по форме и энергии двух орбиталей s– и p-типа наблюдается выигрыш в энергии, т.е. понижение энергии по сравнению с s– и р-орбиталями.

При образовании химических связей между s– и p-гибрид-ными орбиталями и 1 S орбиталями для атома Н в случае обра-зования гибрида ВеН2 вероятность перекрывания электронных орбиталей также увеличивается, что проводит к дальнейшему понижению энергии. Таким образом, при гибридизации и при образовании химических связей, энергия возбуждения компенсируется; общая энергия возбуждения молекул становится меньше по сравнению с энергией изолированных атомов на величину энергии химической связи.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРИЕНТАЦИЯ

Пространственное направление гибридных sp-орбиталей та-ково, что в результате образуется линейная структура молекулы.

5B      1s22s22p1

sp2 -гибридизация

три Sp2 -гибридизационных атомных орбит образуют плоскостную структуру

молекулы BH3 (плоский треугольник).

6C 1s22s22p2

∆E = 400 кДЖ/моль

При взаимодействии одной 2s орбитали с 3-мя 2p-орбиталями происходит образование четырех новых sp3-гибридных орбита-лей, расположенных друг относительно друга под углом 109°28’. Ориентированы орбитали из центра тетраэдра по его углам. Об-

разуются тетраэдрически построенные в пространстве 4 связи.

CH4

Итак, строение молекул линейное, плоскостное или тетра-эдрическое определяется направлением гибридной орбитали в пространстве.

При гибридизации р и d орбиталей, d и f орбитали образу-ют более сложные гибридные орбитали. Однако следует иметь ввиду, что гибридизация возникает всегда, когда в образовании химических связей участвуют орбитали различных типов.

ОБМЕННЫЙ И ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНЫЙ

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ

В рамках метода валентных связей образованные общие электронные пары возможны по обменному или донорно–ак-

цепторному механизму, например:

A· + -B → A ÷ B      (обменный механизм)

A + :B → A : B (донорно-акцепторный механизм) А – донор электронов; В – акцептор электронов Акцептор представляет свободную орбиталь.

H

H+

|

|

H – N + :H+ —

H – N – H -ион аммония

|

|

H

H

Донор отдает неподеленную электронную пару (азот).

Недостатки метода валентной связи

Если рассмотреть строение таких простых ионов, как Н2+, Не+ то видно, что химическая связь в них образована нечетным количеством электронов. Свойства таких простых соединений, как СО, NO, также не могут быть объяснены с помощью метода ВС.

Для молекул O2, исходя из его электронной конфигурации следовало ожидать при внесении в постоянное магнитное поле наличие диамагнитных свойств. В действительности же, O2 обладает парамагнитными свойствами.

8O 1S22S22P4

Для органических, в особенности для напряженных ароматических соединений этот метод является громоздким и потребовал для описания свойств введения большего числа гипотетических электронных структур (т.н. канонических структур) (см. теорию резонанса Полинга).

структура Тиле

Дьюар

МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ (МО)

Метод МО впервые был сформулирован в работе Хьюккеля и Малликена и выведен из положений квантовой механики. Основным является уравнение Шредингера, которое записывается в следующем виде:

H • ψ = E • ψ,

H – оператор, который включает в себя кинетическую и потенциальную энергию ядер, электронов, энергию взаимодействия электронов между собой, ядер между собой и электронов с ядрами; ψ – молекулярная волновая функция (строится из атомных волновых функций и представляет собой аналогию с амплитудой стоячей волны; E – полная энергия молекулы.

настоящее время точное решение уравнения Шредингера

общем виде в случае многочастичного взаимодействия практически невозможно. Однако, решение это становится возможным для валентных электронов, которые определяют совокупность химических свойств.

Предположим, что молекулярная волновая функция представляет собой линейную комбинацию атомных волновых

функций, т.е.

ψ = С1ψ1 + С2 ψ2 + … + Сn ψn ,

где ψ1, ψ2, ψn – атомные волновые функции; C1, C2, Cn – ко-

эффициент, характеризующий вероятности нахождения элек-трона около ядер 1, 2 или n.

Основные положения метода МО сводятся к следующему:

в молекуле все электроны являются общими, т.е. размещены в

пространстве между ядрами;

каждому электрону могут быть приписаны в соответствии с решением уравнения Шредингера определенные значения энергий, т.е. молекулярные орбитали, обладающие определенным значением энергии;

силы взаимодействующие при образовании химической свя-зи являются электростатическими;

в соответствии с принципом Паули на каждой новой образующейся МО располагается только 2 электрона, с взаимно компенсированными спинами;

порядок заполнения электронов МО определяется значением энергий МО; раньше заполняются те МО, которые имеют меньшие значения энергии.

σ разр.* – разрыхляющая МО