Пример 1. Задание 3.1.Для двух, указанных по варианту молекул с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:
Задание 3.1.Для двух, указанных по варианту молекул с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:
3.1.1 Каков тип гибридизации центрального атома в молекуле и валентный угол между связями?
3.1.2 Сколько связей содержит молекула?
3.1.3. Определить полярность связей и полярность молекулы в целом.
3.1.4. Какова пространственная структура молекулы?
Для ответа на вопросы задания рассмотрим молекулу CdI2.
3.1.1.Сначала определяем тип гибридизации центрального атома. Для этого выписываем валентные элекроны центрального атома 48Cd.
Затем электроны переводим в возбужденное состояние
Отмечаем, что у Cd имеются две внешние орбитали: s и р. Представим s- и р-орбитали на рис. 2.1.
Далее «проводим» валентные электроны 53I. Так как I – p- элемент, то на рис. 2.1 к электронам Cd подрисовываем гантелеобразные p- орбитали йода,получаем схему молекулы CdI2 (рис. 2.2)
Как видно из рис. 2.2 силы отталкивания между электронными орбиталями на участках I и II сильно различаются. С одной р- орбиталью йода кадмий связывается с помощью s-орбитали, а с другой - с помощью p-орбитали. Связи отличаются по форме и энергии. Такая молекула не будет устойчивой. Для образования устойчивой молекулы в центральном атоме происходит процесс гибридизации валентных орбиталей, который показан на рис 2.3.
Рис. 2.3
Гибридизация –это процесс,в результате которого происходит перестройка валентных орбиталей центрального атома и образование смешанных гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.
Таким образом, s + р = 2sp; по аналогии: s + р + р = 3sp 2 ; s + р +
+ р + р + р = 4sp . Гибридные орбитали центрального атома - это заряженные поля и, отталкиваясь, они располагаются под определенным углом (валентный угол), чтобы образовалась устойчивая молекула: при гибридизации типа sp валентный угол составляет 180 sp 2 - 120 sp 3 - 109 Расположение гибридных орбиталей согласно этим валентным углам показано в табл. 2.1.
Тип гибридизации: sp sp 2 sp 3 Расположение гибридных орбиталей в пространстве Теоретический валентный угол 180 0 120 0 109 0
В соответствии с данными табл. 2.1 в молекуле Cdl2 реализуется sp-гибридизация, и валентный угол составляет 180 0 .
Чтобы изобразить молекулу в целом, остается показать перекрывание полученных гибридных орбиталей центрального атома с валентными орбиталями боковых атомов. В случае рассматриваемой молекулы CdI2 боковым атомом является 53I. Так как это р-элемент, то его валентные наружные электроны имеют орбиталь в виде гантели. В случае, если это будет s-элемент, форма орбитали имеет вид шара.
"Подводя" валентные орбитали йода к гибридным орбиталям кадмия, получаем схему молекулы CdI2 (рис. 2.4).
Рис. 2.4 π - тип Рис. 2.5
3.1.2. Отметим наличие σ- и π-связей в молекуле. Если область перекрывания находится на оси связи, связь о типа (сигма тип), если область перекрывания не находится на оси связи, а расположена по обе стороны от оси связи - это – пи тип (пи тип) ( рис. 2.5).
В случае CdI2 в молекуле две ковалентные связи сигма – типа.
Определим полярность. Полярностьсвязана с наличием диполя, обусловленного оттягиванием валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома (Приложение 1). В случае молекулы CdI2 более электроотрицательным элементом является йод. Поэтому связь Cd-I является полярной. Однако в целом молекула неполярна, так как при наличии двух диполей оттягивание электронов идет в обе стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.
3.1.3. Разберем вопрос о пространственной структуре молекулы. Пространственная структура молекулы связана с типом гибридизации центрального атома и расположением боковых атомов вокруг центрального атома (табл. 2.2).
Как видно из табл. 2.2 при sp 3 гибридизации может реализоваться тетраэдрическая форма, пирамидальная или угловая в зависимости от числа боковых атомов (4, 3, 2 - соответственно). Из рис. 2.4 следует, что молекула CdI2 имеет линейную форму.
Рассмотрим еще одну молекулу OF2. Выписываем валентные электроны центрального атома - кислорода.
Далее надо перевести в возбужденное состояние. Однако, так как во втором слое нет свободных (пустых) орбиталей, эту операцию пропускаем. Если в качестве центрального атома будет похожий элемент, но находящийся в третьем периоде, то для таких простых молекул, которые предлагаются в задании не следует при возбуждении переводить электроны с 3s и 3p на 3d,так как на это необходимы большие затраты энергии.
Определяем тип гибридизации. Для этого производим «сложение»: s + p + p +p =4sp 3 . при этом не следует писать 2s или 2p, так как речь идет не об электронах (на 2s подуровне), а их действительно 2, а об орбиталях, т.е пространства вероятного нахождения электронов. Рисуем четыре оси и гибридные облака. Подводим валентные орбитали F (это – p- элемент). Получаем угловую молекулу с теоретическим валентным углом 109 0 (рис.2.7)
Отдельные связи О-F - полярные, молекула в целом тоже полярна, так как в вершине угла заряд со знаком "+", а в противоположной стороне " ". Происходит оттягивание электронов в сторону F, т.е. образуется диполь.