Пространственная структура молекул
(обменный механизм образования ковалентной связи)
Пространственная структура молекулопределяется числом и направленностью химических связей в молекуле.
- Двухатомные молекулы –все двухатомные молекулылинейные
1.1. Простое вещество (Н2, F2, Cl2, Br2, I2)
Механизм образования связи - обменный
Структура молекулы – линейная,
связь неполярная: µсв= 0,
молекула неполярная µм=∑ µсв= 0
Простое вещество N2,
Механизм образования связи - обменный
Структура молекулы - линейная
связь неполярная: µсв= 0,
молекула неполярная µм=∑ µсв= 0
Образование тройной связи в молекуле азота N2: одна сигма- и две пи-связи. Кратность связи равна трем.
Сложное вещество (HF, HCl, HBr, HI)
Молекула HCl
![]() | |||
| |||
Механизм образования связи – обменный.
Структура молекулы - линейная
ЭО(H)= 2,1 ЭО(Cl)=3,0 ∆ЭО=0,9 связь полярная: µсв≠ 0,
Молекула полярная µм=∑ µсв≠ 0
Молекула НI:
1s -АО атома H перекрываются с 5p – АО атома иода, имеющими по одному неспаренному электрону:
|
H I
Механизм образования связи - обменный. Тип связи -s-связь.
Кратность связи - 1, структура молекулы – линейная.
Связь – полярная, так как образована атомами с разной ЭО ЭО(I) = 2,5 ЭО(H) = 2,1. Связывающая электронная пара смещена в сторону I, возникает электрический диполь.
Молекула полярная µм=∑ µсв≠ 0
1.3. Молекула СО
![]() |
Между атомами C и O образуются 3 связи: две по обменному механизму и одна по донорно-акцепторному механизму: O - донор, C- акцептор. 3 ковалентные связи образуются за счет перекрывания 3-х р-АО каждого атома: s – связь и две p -связи
Структура молекулы - линейная
ЭО(С)= 2,5 ЭО(О)=3,5 ∆ЭО=1,0 связь полярная: µсв≠ 0, С→О
молекула полярная µм=∑ µсв≠ 0 С→О
2. Трехатомные молекулы (4А подгруппа – SiCl2, PbBr2… и 6A подгруппа - Н2S, Н2Se…)
Молекула Н2S
Механизм образования связи - обменный
Валентный угол 92о, структура молекулы – угловая.
ЭО(Н) = 2,1 ЭО(S) = 2,5 ∆ЭО=0,4 связь полярная: µсв≠ 0,
молекула полярная µм=∑ µсв≠ 0
µсв
µм
µсв
3. Четырехатомные молекулы
(5А подгруппа – SbН3, PСl3, PН3, …)
Молекула PН3
P…3s23p3
Н 1s1 Н 1s1 Н 1s1
Механизм образования связи - обменный
Структура молекулы – тригональная пирамида
ЭО(Н) = 2,1 ЭО(Sb) = 1,9 ∆ЭО=0,2 Þ Т.к. ∆ЭО≠0 связь полярная: µсв≠ 0,
Молекула полярная µм=∑ µсв≠ 0
С гибридизацией АО
Тип гибридизации | Структура молекулы | Валентный угол |
sp | ![]() | 180о |
sp2 | ![]() | 120о |
sp3 | ![]() | 109,3о |
4.1 sp-гибридизация (2А подгруппа или d-элемент)
Молекула ВеСl2
Cl Be Cl
sp-гибридизация АО Ве , валентный угол Ð180о
пространственная структура линейная,
связь полярная m св ¹ 0, т.к. ЭО(Ве) = 1,5, ЭО(Cl)= 3,0 и ∆ЭО≠0
mмол = Smсв = 0 молекула в целом неполярная Cl Be ® Cl
4.2. sp2-гибридизация (3А подгруппа)
Молекула ВН3
В* 2s1 2p2
![]() |
H 1s H 1s H 1s
sp2–гибридизация АО В, 3 s - связи, Ð 120° , связи полярные DЭО=(2.1-2.0)¹0, m св ¹ 0. Структура молекулы - плоский треугольник. mмол = Smсв = 0 молекула ВН3 – неполярная.
Аналогично для BCl3, но BFCl2 – полярная молекула
F
mмол
BFCl2
Cl Cl
4.3. sp3-гибридизация (4А подгруппа)
Молекула SnCl4
Si* 5s 5pCl 3s 3p
![]() |
ClCl Cl
sp3- гибридизация АО Sn m св
структура молекулы - тетраэдр, Ð 109,30
связи полярные DЭО = (3.0-1.8) ¹ 0, m св ¹ 0
Smсв= 0 - молекула в целом неполярная
Аналогично для СCl4но СFCl3 – полярная молекула
4.4.В гибридизации участвуют не только АО связывающих электронов, но и АО неподеленных электронных пар (НП)
Молекулы NН3 Н2О
N…2s22p3 O…2s22p4
H 1s1 H 1s1 H1s1 Н 1s1 Н 1s1
Валентные углы для NH3 107,3º и Н2О 104,5º (близки к тетраэдрическому 109,3º). Это позволяет предположить sp3–гибридизацию АО N в молекуле NН3 и О в молекуле Н2О. Неподеленные электронные пары (НП) влияют на величину валентных углов, силы отталкивания между ними больше, чем между относительно закрепленными связывающими электронными парами (СП).
В молекуле NН3 одна НП уменьшает тетраэдрический угол (109,3о) до 107о, а в молекуле Н2О две НП уменьшают его до 104,5о.
Элементы-аналоги - элементы, имеющие одинаковое строение внешних электронных оболочек (аналогичную валентную формулу) и расположенные в одной подгруппе. Они обладают сходными свойствами.
Параметры химической связи: энергия Есв, длина lсв, кратность, валентные углы
Есв – количество энергии, выделяющейся при образовании химической связи (кДж/моль). Чем ↑ Есв , тем устойчивее молекула
lсв - расстояние ( в нм) между ядрами химически связанных атомов в соединении (зависит от размеров электронных оболочек и степени их перекрывания). Чем ↓ lсв, тем ↑ Есв и устойчивее молекула
Кратность связи - количество связей между взаимодействующими атомами.
Чем ↑ кратность связи, тем ↑ Есв и устойчивее молекула.
Валентный угол - угол между воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически связанных атомов.
Пример
В молекуле MgCl2 большую валентность проявляет Mg (B*=2) – элемент 2А подгруппы, общая электронная формула ns2, электронные аналоги:
Be… 2s2, Ca… 4s2 , Sr… 5s2, Ba… 6s2, Ra… 7s2.
ЭО(Be) = 1,5 ЭО(Mg) =1,2 ЭО(Ca) = 1,0 ЭО(Sr) = 1,0 ЭО(Ba) = 0,9 ЭО(Ra) = 0,9 ЭО(Cl) = 3,0
Однотипные молекулы: BeCl2 MgCl2 CaCl2 SrCl2 BaCl2 RaCl2
∆ЭО 1,5 1,8 2,0 2,0 2,1 2,1
-----------------------------------------------------------------→
Рост lсв, уменьшение Есв и устойчивости молекула,
Рост ∆ЭО и µсв (полярности связей).
Валентный угол и полярность молекул не изменяется: sp-гибридизация АО центральных атомов - Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, валентный угол 1800, структуры молекул – линейные, молекулы неполярные (µм=∑ µсв= 0).
Комплексные соединения
(донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи)
Комплексные соединения-сложные соединения, содержащие комплекс, между частицами которого осуществляется ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму
K[BF4] – тетрафтороборат калия K[BF4] → K + + [BF4]-
K + - внешняя сфера
[BF4]- - внутренняя сфера (комплекс) - в квадратных скобках.
Состав комплекса:
· Комплексообразователь (в основном, катион металла) - акцептор
· Лиганды (анионы или молекулы) - доноры
Координационное число (к.ч.) – количество лигандов, координируемых комплексообразователем
Между внешней и внутренней сферой – электростатическое ион-ионное взаимодействие
Между комплексообразователем и лигандами – ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму: донор – лиганд (поставщик пары электронов), акцептор – комплексообразователь (наличие свободных АО)
Природу связей в КС объясняют методами ВС, МО, теории кристаллического поля.
Все вакантные орбитали комплексообразователя, принимающие участие в образовании связи, одинаковы по энергии и по форме т.е. они гибридизованы.
Тип гибридизации и структура комплексов
К.ч. | Гибридизация орбиталей | Структура комплекса |
sp | линейная | |
d3s, d2sp, sp3 | тетраэдр | |
dsp2 | плоский квадрат | |
d2sp3, sp3d2, dsp3d | октаэдр | |
sp2 | плоский треугольник | |
dsp3 | тригональная бипирамида |
· Лиганд сильного поля (электроны на d-подуровне комплексообразователя максимально спариваются)
· Лиганд слабого поля (спаривания электронов на d-подуровне комплексообразователя не происходит)
Для 4d-и 5d-элементов – все лиганды сильного поля. Для 3d-элементов - спектрохимический ряд лигандов: I-<Br-<Cl-<ОН-<F-<H2O<NCS-<NH3< NO2-<CN-<CO (в порядке возрастания силы поля) Но границы между сильным и слабым полями лигандов провести сложно.
Под воздействием поля лигандов происходит расщепление d-подуровня (на величину D, называемую энергией расщепления): d-АО с меньшей и d-АО с большей энергией. D - зависит от к.ч., природы лигандов и комплексообразователя (Dрастет с увеличением силы лиганда и к.ч.)
плоский квадрат
октаэдр
Е тетраэдр
de dg
Dтетр Dокт Dпл.квадр.
dg
d-орбитали de
свободного иона
комплексообразователя
d-орбитали d-орбитали
в поле лигандав поле лиганда
Магнитные свойства КС
Парамагнитное вещество – втягивается в магнитное поле. Парамагнетизм обусловлен наличием неспаренных электронов (наличие собственного магнитного момента)
Диамагнитное вещество – выталкивается из магнитного поля (из-за отсутствия неспаренных электронов).
Пример 1
K3[CoF6] – гексафторокобальтат калия
[CoF6]3- - комплекс
Co3+ - комплексообразователь Co3+ …3d64s0
F - - лиганд слабого поля F -…2s22p6
КЧ = 6, т.е. имеет место октаэдрическое расщепление.
Энергетическая диаграмма:
F-: F-: F-: F-: F-: F-:
Е
3dg 4s 4p 4d
![]() |
3de
sp3d2 – гибридизация – октаэдр.
внешнеорбитальный, высокоспиновый, парамагнетик
Пример 2
[Co(NH3)6] Cl3 – хлорид гексаамминкобальта
[Co(NH3)6] 3+ - комплекс
Co3+ - комплексообразователь Co3+ …3d64s0
NH3 - лиганд сильного поля (т.к. к.ч.= 6)
КЧ = 6, т.е. имеет место октаэдрическое расщепление
Энергетическая диаграмма
Е :NH3 :NH3 :NH3: NH3:NH3:NH3
3dg 4s 4p
3d 3de
d2sp3-гибридизация– октаэдр;
внутриорбитальный, низкоспиновый (более прочный), диамагнетик.
Пример 3
[Au(NH3)4]Сl3 хлорид тетраамминзолота
[Au(NH3)4]3+ - внутр. сфера ((комплекс)
Сl- - внешняя сфера
Комплексообразователь Au3+:… 5d86s0.
К.ч. = 4, NH3 - лиганд сильного поля , т.к. для 5d- элемента (Au) все лиганды сильного поля, неподеленная пара электронов у атома азота :NH3 , dsp2-гибридизация
Энергетическая диаграмма:
|
Е
5d
6s 6p
dsp2-гибридизация, структура –
плоский квадрат
низкоспиновый, внутриорбитальный, диамагнетик, устойчивый