Задания для самостоятельной работы

Опишите молекулы методом валентных связей. Укажите тип гибридизации, расположение орбиталей в пространстве и форму молекул: BF₃; COCl₂; SO₂;SO₃; CCl₄ ; SiH₄; NH₃; NH₄⁺; [BF₄]^-; H₂S; PBr₃; PCl₅; SCl_6.

Ответы: sp²- плоский треугольник; sp²- плоский треугольник; sp²- уголковая ( ے ~120⁰); sp²- плоский треугольник; sp³-тетраэдр; sp³-тетраэдр; sp³-тригональная пирамида; sp³-тетраэдр; sp³-тетраэдр; sp³-уголковая ( ے ~109⁰); sp³-тригональная пирамида; sp³d -тригональная бипирамида; sp³d²- октаэдр.

МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ – ЛИНЕЙНОЙ КОМБИНАЦИИ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

В основе теории молекулярных орбиталей(МО) лежит представление о том, что атомы в значительной мере меняют свою электронную конфигурацию при образовании химической связи. В общем случае метод МО рассматривает образование химических связей как результат движения всех электронов в суммарном поле, созданном всеми электронами и всеми ядрами исходных атомов. При образовании молекулы атомные орбитали преобразуются в так называемым молекулярные орбитали. Они отличаются от исходных атомных орбиталей как формой, так и энергией. Энергетические и пространственные характеристики молекулярных орбиталей рассчитываются аналогично характеристикам атомных орбиталей отдельного атома – решается уравнение Шредингера. Но вместо атомной волновой функции уравнение Шредингера решается для молекулярной волновой функции, которая выражается как линейная комбинация атомных. Отсюда возникло название метода молекулярных орбиталей – линейной комбинации атомных орбиталей (МО - ЛКАО).

Поскольку число линейных комбинаций равно числу компонентов, участвующих в них, из двух атомных орбиталей атомов А и В - φ(А) и φ(В)- возникает две молекулярные Ψ₁ и Ψ₂:

Ψ₁ = с₁ ∙ φ(А) + с₂ ∙ φ(В)

Ψ₂ = с₁ ∙ φ(А) ‒ с₂ ∙ φ(В),

где с₁ и с₂ – коэффициенты.

Первая из молекулярных орбиталей – сумма атомных - ниже по энергии, чем обе исходные атомные. Форма ее такова, что максимум электронной плотоности находится между двумя ядрами, и если электроны находятся на ней, ядра атомов притягиваются по направлению друг к другу. Эта орбиталь называется связывающей. Обозначается по типу связи: σ.

Вторая орбиталь – разность двух атомных - выше по энергии, чем исходные, а максимум электронной плотности находится по обе стороны от межъядерного пространства. Нахождение электронов на этой орбитали вызывает притяжение ядер атомов в разные стороны, т.е. разрыв молекулы. Такая орбиталь называется разрыхляющей (обозначается σ*).

Образование молекулярных орбиталей из атомных изображается на энергетической диаграмме, затем орбитали заполняются электронами с соблюдением всех принципов квантовой механики. Например, схема заполнения молекулярных орбиталей молекулы водорода строится так: сначала на диаграмме изображают атомные орбитали двух атомов (с двух разных сторон), между ними располагают молекулярные орбитали. Связывающие орбитали называются по типу связи – σ. Связывающие орбитали обозначают σ, а разрыхляющие – σ*. Затем молекулярные орбитали заполняют имеющимися в системе электронами снизу вверх (принцип минимума энергии), с соблюдением запрета Паули и правила Хунда. Электронов в такой системе всего 2.

Н₂

Кратность связи Р_im равна числу электронных пар на связывающих орбиталях минус число электронных пар на разрыхляющих, или:

Р_im = ,

где Ne(св) Ne (разр) – число электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях соответственно.

Для молекулы водорода Р_im (Н₂)= = 1.

Магнитные свойства молекулы или иона определяются наличием или отсутствием неспаренных электронов. В молекуле Н₂ неспаренных электронов на молекулярных орбиталях нет, и она диамагнитна.

Не₂

Поскольку каждый атом гелия имеет по два электрона на валентном уровне, электронов в системе будет четыре, а кратность связи в молекуле

Р_im (Не₂) = = 0. Нулевая кратность связи означает, то, что связи нет, и это согласуется с действительностью: молекула Не₂ не существует. Однако эксперминтальные данные подтверждают возможность существования молекулярного иона (Не₂)⁺. Объяснить его существование можно, вычислив кратность связи в этом ионе. На молекулярных орбиталях данного иона будут находиться не 4, а 3 электрона, причем 1 электрон уйдет с более высокой по энергии, разрыхляющей орбитали: Р_im (Не₂⁺) = = 1/2. Связь, кратность которой равна 1/2, слабее, чем одинарная (чем больше кратность связи, тем она сильнее, и тем меньше ее длина). Но зато молекулярный ион Не₂⁺ хотя бы может существовать.