Определение формы молекул по Гиллеспи Р., Харгиттаи И

Теория гибридизации

До сих пор школьников и студентов заставляют учить «правила гибридизации» и строить структуры молекул на основании «формы гибридных орбиталей». Однако следует помнить, что понятие «гибридизация» Лайнус Полинг ввел в практику преподавания как модельное представление для объяснения симметричной структуры связей атома углерода. Для объяснения геометрии соединений с кратными связями и относительной длины таких связей у углерода сам Л.Полинг пользовался системой тетраэдров и шаростержневыми моделями [[16]]:

Об относительности любых моделей при описании химической связи подробно и наглядно сказано в статье А.В.Шевелькова [[17]]. Например, про «гибридизацию» полезно помнить, что:

- Только у атомов элементов 2-го периода смешивание орбиталей реально.

- Реальная гибридизация как механизм, а не как модель, может проявляться только у элементов 2-го периода.

- Гибридизация с помощью математических операций помогает представить ковалентные связи направленными.

Одной из наиболее наглядных и удобных для преподавания является модель строения молекул, развитая Роналдом Гиллеспи и Иштваном Харгиттаи [[18]].

В 1940 г. Невил Сиджвик и Пауэлл предложили модель отталкивания электронных пар, которая впоследствии была развита Гиллеспи. Основные идеи этого подхода, приложимого только к соединениям непереходных элементов, сводятся к следующему:

1. Конфигурация связей, образуемых многовалентным атомом, обусловлена числом электронных пар его валентной оболочки, существующих как на связывающих, так и на несвязывающих МО.

2. Ориентация облаков плотности электронных пар, описываемых валентными орбиталями, определяется их максимальным взаимным отталкиванием.

Решение задачи о размещении максимально удаленных друг от друга точек, символизирующих центры тяжести облаков электронных пар, при числе точек от 2 до 12 приводит к возможным конфигурациям связей, перечисленным в таблице. Соответственно, легко представить геометрию молекул, имеющих такое расположение электронных пар.

Конфигурация связей центрального атома А в зависимости от числа

электронных пар q на его валентных орбиталях

	q	Конфигурация	q	Конфигурация
		Линейная или уголковая		Квадратная антипризма
		Равносторонний треугольник		Треугольная призма с тремя дополнительными вершинами
	Тетраэдр		Квадратная антипризма с двумя дополнительными вершинами
		Тригональная бипирамида, квадратная пирамида		Икосаэдр без одной вершины
		Октаэдр		Икосаэдр
		Октаэдр с дополнительной вершиной

Существуют простые правила, делающие модель Гиллеспи весьма эффективной:

а) Неподеленная электронная пара занимает больший объем, чем связывающая пара ординарной связи.

б) Сила отталкивания электронных пар в данной валентной оболочке понижается в следующем порядке: Е-Е, Е-Х, Х-Х (Е - неподеленная электронная пара, Х- связывающая электронная пара).

в) Объем связывающей электронной пары уменьшается с увеличением электроотрицательности лиганда.

г) Электронные пары двойной или тройной связей занимают больший объем, чем электронная пара ординарной связи.

Модель отталкивания электронных пар дает приближенный качественный метод предсказания структуры молекул.

Пример: определить форму молекулы Н₂О

Сначала определяем число электронов вокруг центрального атома. У кислорода 6 своих электронов, еще 2 предоставляют ему 2 атома водорода. Всего вокруг кислорода 8 электронов или 4 электронные пары. Эти пары расположены в пространстве максимально симметрично – считаем, что все они одновременно притягиваются к общему центру (кислород) и взаимно отталкиваются. Фигура, которую могут по таким законам образовать 4 шара – тетраэдр. На двух вершинах этого тетраэдра находятся ядра водорода, и между этими двумя вершинами угол может отличаться от тетраэдрического. Вывод: форма молекулы Н₂О угловая, атомы водорода на концах угла.

Пример: определить форму молекулы SF₄

Сначала определяем число электронов вокруг центрального атома. У серы 6 своих электронов, на образование связей с 4 атомами фтора фтор “предоставляет” еще 4 электрона для получения электронных пар. Всего вокруг центрального атома серы 10 электронов или 5 пар. Максимально симметричная фигура – тригональная бипирамида (два тетраэдра с общей гранью). Фторы располагаются у двух вершин центрального треугольнаки и на противостоящих вершинах “состыкованных” пирамид. Форма молекулы SF₄ – “качели”, “ручной пулемет на ножках” или дисфеноид.

Литература для более глубокого изучения:

1. Заградник Р., Полак Р. Основы квантовой химии. Пер с чешс. – М.: Мир, 1979. – 504 с.

2. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь. Пер. с нем. – М.: Мир, 1974. – 296 с.

3. Гиллеспи Р., Харгиттаи И. Модель отталкивания электронных пар валентной оболочки и строение молекул: Пер. с. англ. – М.: Мир, 1992. – 296 с.

Дата добавления: 2014-12-16