Химическая связь и строение молекул

Под химической связью понимают различные виды взаимодействий, обуславливающие устойчивое существование двух- и многоатомных соединений: молекул, ионов, кристаллических веществ. По своей природе химическая связь представляет собой взаимодействие между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами, а также электронами друг с другом. Основные виды химической связи: ковалентная, ионная, металлическая. Для описания ковалентной связи используют два метода – метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

В основе метода ВС лежат следующие положения:

1.В образовании ковалентной связи участвуют только неспаренные электроны двух атомов с противоположно направленными спинами (обменный механизм образования связи), либо электронная пара одного атома

- донора и свободная орбиталь другого атома – акцептора (донорно-акцепторный механизм).

2.Ковалентная химическая связь между двумя атомами возникает как результат перекрывания атомных орбиталей с образованием электронных пар (обобществление двух электронов).

Согласно теории валентных связей ковалентная связь направлена в сторону максимального перекрывания атомных орбиталей взаимодействующих атомов.

Геометрическая (пространственная) структура молекулы, состоящей из более чем двух атомов, обусловлена взаимным расположением атомных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Молекула АВ₂ может иметь линейную , или угловую структуру (а). Молекула АВ₃ может иметь форму правильного треугольника (б), тригональной пирамиды (в). Молекула АВ₄ – форму тетраэдра (г).

а) б) в) г)

Пространственная структура молекулы определяется видом гибридизации валентных орбиталей центрального атома и числом неподеленных электронных пар, содержащихся в валентном электронном слое.

Пример 1. Опишите с позиций метода валентных связей строение молекул: а) РН₃, б) BBr₃. Какие атомные орбитали участвуют в образовании химических связей? Укажите тип гибридизации (если гибридизация имеет место). Какова пространственная структура этих молекул?

Решение. а) Образование молекулы РН₃.

Напишем электронные формулы атомов, образующих молекулу PH_3, в основном (нормальном) состоянии: ₁₅Р 1s²2s²2p⁶3s²3p³; ₁Н 1s¹

Электронно-графические формулы внешнего уровня этих атомов:

p s

s ₁H 1

₁₅Р 3

В данной молекуле центральным атомом является атом фосфора, у которого в образовании трех химических связей участвуют только p – орбитали, расположенные на одном подуровне и обладающие одинаковой формой и одинаковой энергией. Следовательно, в молекуле РН₃ гибридизация отсутствует.

Для наглядного изображения валентных схем можно использовать следующий способ. Электроны, находящиеся на внешнем электронном слое, обозначают точками, располагаемыми вокруг химического символа атома. Общие для двух атомов электроны показывают точками, помещаемыми между их химическими символами; двойная или тройная связь обозначается соответственно двумя или тремя парами общих точек. Применяя эти обозначения, образование молекулы РН₃ можно представить так:

H
ê

Эту схему можно записать иначе: Н – Р – Н, где каждая пара электронов, связывающая два атома, соответствует одной черточке, изображающей ковалентную связь в структурных формулах.

р – электронные облака атома фосфора ориентированы во взаимноперпендикулярных направлениях (вдоль осей координат) –р_х, р_у, р_z и имеют гантелевидную форму. У атома водорода в образовании химической связи Р-Н участвует s-электрон, имеющий сферическую форму облака. При образовании молекулы РН₃ происходит перекрывание р - электронных облаков атома фосфора с s-электронными облаками трех атомов водорода:

В соответствии с требованиями метода валентных связей три связи

Р - Н должны располагаться под углами, близкими к 90^°С. Следовательно, пространственное расположение одинарных связей определяет геометрическую структуру молекулы. Молекула РН₃ должна иметь форму тригональной пирамиды:

В вершине пирамиды находится атом фосфора, а в вершинах основания атомы водорода.

б) Образование молекулы ВВr₃. В молекуле ВВr₃ центральным атомом является атом бора.

Электронные формулы атомов:

₅В 1s²2s²2p¹ ₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

Электронно-графические формулы внешнего уровня имеют вид:

p p

s s

₅B 2 ₃₅Br 4

Поскольку бор в соединении трехвалентен, запишем электронно-графическую формулу атома бора в возбужденном состоянии:

р

s

₅B* 2

В образовании трех химических связей в молекуле ВВr₃ участвуют одна s- и две р-орбитали, расположенные на разных подуровнях и обладающие разной формой и разной энергией:

В этом случае вместо исходных одной s- и двух p-орбиталей возбужденного атома бора образуется три равноценные гибридные орбитали (sp² – гибридизация). При sp² гибридизации гибридные электронные облака располагаются в направлениях, лежащих в одной плоскости и ориентированных под углами 120^° друг к другу:

Этому типу гибридизации соответствует образование плоской треугольной молекулы. При образовании молекулы ВВr₃ происходит перекрывание трех гибридных орбиталей атома бора с р - электронными орбиталями трех атомов брома:

Молекула ВВr₃ имеет форму плоского правильного треугольника, в центре которого расположен атом бора, а в вершинах – атомы брома. Все три связи В-Br в молекуле ВВr₃ равноценны.

Пример 2. Нарисуйте энергетические схемы образования молекулы F₂ и молекулярного иона F₂⁺ по методу молекулярных орбиталей. Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этих частицах? Укажите их магнитную характеристику (парамагнетизм или диамагнетизм).

Решение. Согласно теории молекулярных орбиталей (ММО) молекула рассматривается как совокупность положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, где каждый электрон движется в поле остальных электронов и всех ядер.

Описать молекулу согласно теории ММО – это значит определить тип ее орбиталей, их энергии и выяснить характер распределения электронов по орбиталям.

При образовании молекулы возникают молекулярные орбитали двух видов – связывающие и разрыхляющие. Если при образовании молекулы из атомов переход электрона на молекулярную орбиталь будет сопровождаться уменьшением энергии, то такая молекулярная орбиталь является связывающей. Если переход электрона на молекулярную орбиталь сопровождается увеличением энергии, то такая молекулярная орбиталь будет разрыхляющей.

Электроны в молекулах располагаются на s- и p- молекулярных орбиталях. s-орбитали могут быть образованы перекрыванием s – атомных орбиталей и перекрыванием 2р_х- атомных орбиталей. При этом образуются молекулярные орбитали: s-связывающие (s_св) и s-разрыхляющие (s_разр). При перекрывании 2р_у и 2р_z атомных орбиталей образуются молекулярные орбитали: p_св2Ру, p_св2Рz и p_раз2Ру, p_раз2Рz. Порядок размещения электронов по молекулярным орбиталям тот же, что и в случае атомных орбиталей, то есть соответствует принципу наименьшей энергии, принципу Паули, правилу Хунда.