Пространственная структура молекул

Гибридизация атомных орбиталей.

Если у атома есть валентные АО разного вида (s,p,d), то перед их участием в образовании Х.С. происходит их гибридизация, или энергетическое выравнивание, сопровождающееся выравниванием формы электронных облаков. Например, в молекуле метана СН₄ существуют 4 связи С-Н, имеющие одинаковую длину и прочность, хотя для их образования С-ом использованы разные АО:

С...2s²2p²®C...2s¹2p³.Условно гибридизация записывается так: s¹p³®q⁴

В СН₄ атом С находится в состоянии sp³-гибридизации.

Гибридизация происходит у орбиталей, имеющих близкий значения энергий. Число гибридных (q-АО) равно числу исходных валентных АО. Форма q-АО отличается от форм исходных АО (рис.) Электронная плотность в ней смещена в одну сторону от ядра, поэтому при взаимодействии ее с другой АО происходит максимальное перекрывание которое приводит к повышению энергии связи, которая компенсирует энергетические затраты на гибридизацию. В результате связи, образованные q-АО почнее, чем образованные "чистыми" АО, а молекула более устойчива.

Число атомов в молекуле, тип гибридизации и расположение АО в пространстве определяют пространственную конфигурацию (форму, структуру) молекулы. Рассмотрим типы гибридизации и соответствующие им структуры молекул бинарных соединений (состоящих из 2-х Х.Э.).

1. 2-хатомные молекулы типа а) А-А и б) А-В.

В пространстве образуют линейню структуру без гибридизации АО.

а) молекула Cl₂ (рис. перекрывания р-АО; a =1,98 А⁰)

б) молекула HF(рис., a = 0,916 А⁰)

2. 3-хатомные молекулы типов а) АВ₂ и б) А₂В; Образуют линейную - В· ¾ А· ¾·В или угловую А· ¾·В структуры.

Примеры.

а) молекула ВеСl­₂. Ве...2s²2p⁰ Ков.=0.. Ве*..2s¹2p¹ Ков.=2.

Рис. в , рис. перекрывания валентных АО. Тип гибридизации s¹p¹®q²

Молекула линейна, т.е.ÐCl Be Cl = 180⁰. a= 2,235А⁰(1А=10^-10м)

б) Н₂О; Н-О-Н; О... 2s²2p⁴. Ков.=2.

У О распаривания 2s² не происходит, т.к. отсутствуют свободные АО.

Сильное электромагнитное поле 2-хэлектронной 2s-АО влияет на форму молекулы: Ð Н О Н отличен от ожидаемого 90⁰, а равен 104,5⁰;

a= 0.958 А⁰.

3. 4-хатомные молекулы типов - а) АВ₃ и б) А₃В.

Образуют тригональную (плоскостную или пространственную) структуру.

а) Молекула ВCl₃. Структурная формула. В...2s²2p¹ Ков.=1.

В^*..2s¹2p². Ков.= 3. Тип гибридизации s¹p²®q³. Структура молекулы - плоский треугольник (В - в центре). ÐClBCl= 120⁰. a= 1,73А⁰.

б) NH₃ (Структурная формула и валентные е в клетках). Образование связей NH происходит без гибридизации, форма молекулы - треугольная пирамида с ÐClBCl= 108⁰. a= 1,015А⁰. Влияние 2-хэлектронной s-АО сказывается на значении валентного угла.

4. 5-атомные молекулы. Примеры - СН₄ и ТiCl₄. Тип гибридизации в СН₄ рассмотрен выше. Пространственная структура молекулы - тетраэдр (в центре - атом С). ÐН С Н = 109,21⁰; a= 1,091А⁰_.(аналогично SiF₄, SnCl₄, PbCl₄ и т.п. там, где sp³- гибридизация).

Ti... 4^s2⁴p⁰3d²® Ti^*... 4s¹4p¹3d². Тип гибридизации s¹p¹d²®q⁴. Пространственная структура молекулы - плоский квадрат с Ti в центре.

5. 6-атомные молекулы (РF₅, VCl₅). Р^*...3s¹3p³3d¹, т.е. s¹p³d¹-гибридизация в атоме Р. Конфигурация молекулы - тригональная бипирамида.

V^*... 4s¹4p¹3d³, т.е. spd³-гибридизация.

Дата добавления: 2014-01-05