Расположение локализованных электронных пар центрального атома и пространственная конфигурация молекул

Окончание табл. 3.4

 

Шести s -электронным парам атома А отвечают молекулы АВ₆ (SF₆), АВ₅Е (IF₅), АВ₄Е₂ (XeF₄) соответственно октаэдрической, тетрагонально-пирамидальной, квадратной формы. При геометрическом изображении молекул типа АВ₅Е (IF₅) и АВ₄Е₂ (XeF₄) несвязывающие электронные пары размещаются на аксиальной оси. В ряду молекул СН₄ (109,5^о; молекула типа АВ₄) – NН₃ (107,3^о; молекула типа АВ₃Е) – Н₂О (104,5^о; молекула типа АВ₂Е₂) уменьшение валентных углов объясняется увеличением числа несвязывающих электронных пар центрального атома.

 

 

При одинаковой конфигурации молекул различие в размерах валентных углов связано с природой периферических атомов. Этим объясняется уменьшение валентных углов в паре молекул NН₃ (107,3^о) и NF₃ (102^о) и паре Н₂О (104,5^о) и ОF₂ (103^о).

В экспериментально наблюдаемых геометрических конфигурациях молекул валентные углы отличаются от теоретически предполагаемых углов. Так, в молекуле SF₄ валентный угол по аксиальной оси составляет 186^о (вместо 180^о), а в экваториальной плоскости – 116^о (вместо 120^о) (табл. 3.4). Причиной этому является наличие в молекуле несвязывающей электронной пары, занимающей больший объем в пространстве, и отталкивающей связи S–F от себя. В молекуле ClF ₃ валентные углы F–Cl–F равны 87^о за счет влияния двух несвязывающих пар электронов на химические связи Cl–F.

Для определения пространственной конфигурации простейших молекул в рамках модели локализованных электронных пар выполняют ряд операций. Рассмотрим их на примере строения некоторых типов молекул.

• Молекула типа АВ₅. При определении пространственной конфигурации молекулы PCl₅ выполняют следующие действия:

1) Выделяют в молекуле центральный (Р) и периферические атомы (Cl);

2) Составляют схему распределения валентных электронов по орбиталям центрального атома:

 

 

3) Составляют схему распределения валентных электронов по орбиталям периферического атома:

 

4) По значению координационного числа атома фосфора (к.ч.=5) определяют число его электронов, необходимое для образования химических связей:

 

 

В результате обобществления неспаренных электронов центрального и периферических атомов образуются пять s -связей P–Cl.

5) По числу σ -электронных пар устанавливают пространственную конфигурацию молекулы PCl₅ (cм. табл.3.4):

• Молекула типа АВ₃Е. При определении пространственной конфигурации молекулы NF₃ выполняют следующие действия:

1) Выделяют в молекуле центральный (N) и периферические (F) атомы.

2) Составляют схему распределения валентных электронов по орбиталям центрального атома:

 

 

3) Составляют схему распределения валентных электронов по орбиталям периферического атома:

 

 

4) По значению координационного числа атома азота (к.ч.=3) устанавливают число химических связей N – F.

5) По общему числу (связывающих и несвязывающих) s -электронных пар устанавливают пространственную конфигурацию молекулы NF₃ (cм. табл. 3.4):

 

• Молекула типа АВ₂Е. При определении пространственной конфигурации молекулы SO₂ выполняют следующие действия:

1) Выделяют в молекуле центральный (S) и периферические (О) атомы.

2) Составляют схему распределения валентных электронов по орбиталям центрального атома:

 

3) Составляют схему распределения валентных электронов по орбиталям периферического атома:

O 2s22p4

4) По числу атомов кислорода определяют число электронов центрального атома, необходимых для образования двухкратных связей :

 

5) По общему числу (связывающих и несвязывающих) s -электронных пар устанавливают пространственную конфигурацию молекулы SO₂ (см. табл. 3.4):

 

Полярность и поляризуемость связи. В зависимости от степени смещения обобществленного электронного облака в молекуле различают неполярную и полярную связь. Если обобществленное электронное облако распределено равномерно в межъядерном пространстве, то такая связь неполярная. Она образуется в молекулах, состоящих из атомов одного и того же элемента (Н–Н, F–F). Химическая связь между атомами разных элементов является полярной. Это обусловливается различием электроотрицательностей атомов. Например, элетроотрицательность фтора (4,0) больше электроотрицательности водорода (2,1), поэтому электронное облако в молекуле НF смещено к атому фтора. Вследствие этого на одном из атомов возникает отрицательный заряд (d-), на другом – положительный (d+). Эти заряды называются эффективными. Так, согласно экспериментальным данным в молекуле HF эффективный заряд на атоме водорода составляет d_Н = 0,42+, а на атоме фтора – d_F = 0,42-, то есть Н^0,42+ – F^0,42-. В соединении LiF эффективные заряды атомов иные: Li^0,9+ – F^0,9-.

Количественной мерой полярности химической связи является электрический момент диполя m. Он равен произведению значения заряда q на расстояние между центрами зарядов l:

m = q × l.

Ковалентная связь обладает способностью становиться более полярной (поляризоваться) под воздействием внешнего электрического поля или других молекул. Эта особенность ковалентной связи называется поляризуемостью.

Неполярные и полярные молекулы. В неполярных молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Примеры неполярных молекул: Н₂, F₂, N₂ и т.д. В полярных молекулах равные по величине и противоположные по знаку заряды (q+ и q-) находятся на некотором расстоянии l друг от друга. По этой причине полярные молекулы являются диполями. Полярность молекулы, как и полярность связи, оценивают значением m. Поскольку электрический момент диполя есть векторная величина, то электрический момент диполя молекулы представляет собой векторную сумму моментов всех связей и несвязывающих электронных пар. Результат сложения зависит от структуры молекулы. Рассмотрим это на конкретных примерах.

• Молекула НF. В молекуле фторида водорода, как и в любой двухатомной молекуле, дипольные моменты связи и молекулы совпадают. Молекула НF полярна.

• Молекула СО₂. В линейной молекуле оксида углерода (IV)

связи С = О полярны. Но векторная сумма моментов связей равна нулю (m =0). Молекула СО₂ в целом неполярна.

• Молекула ССl₄. В тетраэдрической молекуле хлорида углерода моменты диполей связей С – Сl направлены таким образом, что их векторная сумма равна нулю:

Молекула ССl₄ неполярна.

• Молекула NН₃. В тригонально-пирамидальной молекуле аммиака полярные связи N – Н располагаются под углом 107,3^о. Поэтому их моменты взаимно не компенсируются и молекула является полярной:

 

Контрольные задания (табл. 3.5)

Пользуясь методом ВС:

– определите пространственную конфигурацию молекулы*;

– установите, обладает ли эта молекула электрическим момен-том диполя.

Таблица 3.5

Варианты контрольных заданий

 

Варианты заданий	Молекулы	Варианты заданий	Молекулы
	XeF2	SnCl4	SO2Cl2		BCl3	PCl5	POCl3
	BeF2	AsH3	SClF5		GeH4	NF3	NOF3
	SnCl2	BBr3	CO2		CCl4	H2Te	SO2F2
	HgCl2	ClF5	Cl2O		GeF4	H2Se	SO3
	BeCl2	PBr3	SO2		CuF2	BrF5	CCl2O
	CF4	SbCl5	POF3		MgCl2	SiCl4	GeO2
	ICl3	AsBr3	XeO3		CdCl2	ClF3	TeO2
	BeBr2	H2O	OF2		PH3	XeF4	SnF2
	BF3	SF4	SOCl2		PF5	BeI2	SCl2O2
	SF6	BrF3	CS2		CaF2	AsCl3	SClF5

_________________

*Приведены молекулы, существующие в газообразном состоянии