КЗ. Строение и некоторые свойства молекул

2.3. Строение и некоторые свойства молекул и веществ
в конденсированном состоянии
2.3.1. Строение и некоторые свойства молекул
Для каждой молекулы, формула которой приведена в вашем варианте
задания в таблице 2.5, изобразите ее пространственную конфигурацию,
напишите дисплейную (структурную) формулу соответствующего ей
химического соединения и выполните следующие задания:
а) определите валентность связевую (ковалентность), степень
окисления, координационное число центрального атома молекулы и
изобразите орбитальную диаграмму его электронной оболочки, учитывая
состояние его (основное или возбужденное) при образовании молекулы;
б) укажите тип гибридизации орбиталей центрального атома молекулы,
тип частицы и форму молекулы, а также число σ- и π-связей в молекуле;
в) определите точное или приближенное (если невозможно определить
точное) значение валентного угла в молекуле и обоснуйте ваш ответ;
г) определите в молекуле наиболее длинную и наиболее короткую
химическую связь и обоснуйте ваш ответ;
д) определите в молекуле наиболее полярную химическую связь,
сравните полярность химических связей в этой молекуле с полярностью
химических связей в других молекулах, приведенных в вашем задании, и
укажите наиболее полярную среди всех сравниваемых связей; ответ
обоснуйте, подтвердив расчетом;
е) определите, является ли молекула полярной (μ≠0) или неполярной
(μ=0); ответ обоснуйте;
ж) определите тип межмолекулярного взаимодействия, вносящий
наиболее существенный вклад при конденсации данного соединения, и
обоснуйте ответ;
з) рассмотрите возможность центрального атома молекулы участвовать
в образовании связей по донорно-акцепторному механизму; укажите, какую
функцию он при этом будет выполнять (донора или акцептора).
Таблица 2.5
Варианты задания 2.3.1
Строение и некоторые свойства молекул
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Формулы молекул
ZnI2
SnF4
SrI2
SiCl4
HgCl2
SnCl4
CaCl2
GeF4
CdCl2
SO3
CaBr2
GeCl4
MgI2
PCl5
CaI2
SnCl2
AsBr3
BiBr3
SF2
SnF2
PbF2
SO2
SCl2
PbCl2
H2Se
SbBr3
OF2
PbBr2
SbH3
SbCl3
SCl2O
CCl2O
SOF2
NOBr
SO2F2
HCN
SCl2O2
CCl2O
PCl3O
POF3
SCl2O
CSO
SOF2
NOCl
PBr3O
Номер
варианта
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Формулы молекул
SeF6
BBr3
SnBr4
CdF2
SF6
SrBr2
SiH4
MgCl2
CS2
MgBr2
TeF6
BeI2
SeO3
AsF5
IF5
H2Te
SnBr2
Cl2O
SeO2
SbF3
AsCl3
AsF3
SeF4
TeO2
GeCl2
PBr3
SF4
PbI2
Cl3N
AsI3
PSF3
SO2F2
SCl2O2
PCl3O
POF3
PBr3O
NOF
SBr2O
SeOF2
COF2
SeCl2O
CSCl2
PSF3
CNF
HOF
Методические советы. Чтобы выполнить задание 2.3.1, необходимо,
прежде всего, определить пространственные конфигурации молекул. Для
этого можно воспользоваться алгоритмом определения пространственных
конфигураций простейших молекул (и комплексов) с одним центральным
атомом, т.е. совокупностью последовательных операций:
1) определить в молекуле центральный и периферические атомы;
Если молекула имеет состав АВn, то атом А является центральным,
атомы В - периферические. Если положение атомов в молекуле не столь
очевидно, то при определении их положения можно руководствоваться тем,
что атомы с большей электроотрицательностью, как правило, являются
периферическими, а атомы водорода Н и фтора F являются периферическими
всегда.
2) изобразить орбитальные диаграммы валентных оболочек
центрального и периферических атомов;
3) по степени окисления центрального атома определить число его
электронов, идущих на образование связей по обменному механизму (т.е.
число неспаренных электронов), состояние центрального атома при
образовании молекулы (основное или возбужденное) и электронную
конфигурацию этого атома, соответствующую этому состоянию;
Например, в молекуле BF3 степень окисления бора +3, следовательно,
на образование связей по обменному механизму требуется три неспаренных
электрона, поэтому при образовании молекулы атом бора переходит в
возбужденное состояние:
2 2
1
*
2 1
2
5В 1s 2s 2p → 5B 1s 2s 2p
n=2 ↑↓ ↑
→ 5B* n=2 ↑ ↑ ↑
5B
4) по орбитальной диаграмме валентной оболочки центрального
атома в состоянии, предшествующем образованию молекулы, определить
наличие или отсутствие орбиталей с неподеленными электронными парами
(это же самое можно определить иначе: по разности общего числа
валентных электронов и электронов, используемых в связывании по
обменному механизму);
Например, в молекуле NH3 три неспаренных электрона атома азота N,
требуемые на образование связей по обменному механизму, имеются в
невозбужденном атоме азота N. Этими электронами заняты три р-орбитали
валентной оболочки, а s-орбиталь занята неподеленной электронной парой.
n=2 ↑↓ ↑ ↑ ↑
7N
5) по значению координационного числа центрального атома
определить число его орбиталей, содержащих электроны, участвующие в связывании (как по обменному, так и по донорно-акцепторному механизму);
Например, в молекулах BF3 и NH3 атомы бора B и азота N содержат
электроны, участвующие в -связывании, на трех орбиталях.
В молекулярных ионах BF4– и NH4+ атомы бора B и азота N содержат
электроны, участвующие в -связывании, на четырех орбиталях.
В молекуле СО2 атом углерода С содержит электроны, участвующие в связывании, на двух орбиталях.
Если координационное число центрального атома равно числу его
неспаренных электронов, значит в молекуле имеются только -связи,
образованные по обменному механизму. Например, в молекулах BF3 и NH3
координационные числа атомов бора B и азота N равны 3, при этом каждый
из этих атомов содержит по 3 неспаренных электрона, значит, в каждой из
молекул BF3 и NH3 имеются по три -связи, образованные по обменному
механизму.
Если координационное число центрального атома меньше числа его
неспаренных электронов, значит в молекуле помимо -связей, имеются πсвязи, образованные по обменному механизму. Например, в молекуле СО2 из
четырех электронов, идущих на образование связей по обменному
механизму, два электрона участвуют в образовании двух -связей, а два
электрона – в образовании двух π-связей.
Если координационное число центрального атома больше числа его
неспаренных электронов, значит в молекуле (или комплексе) помимо связей, образованных по обменному механизму, имеются -связи,
образованные по донорно-акцепторному механизму. Например, в ионе
аммония NH4+ из четырех -связей три образованы по обменному механизму,
а одна - по донорно-акцепторному механизму при участии неподеленной
электронной пары атома азота (азот при этом играет роль донора
электронной пары). А в ионе BF4- из четырех -связей три образованы по
обменному механизму, а одна – по донорно-акцепторному при участии
вакантной орбитали атома бора (бор при этом играет роль акцептора
электронной пары).
6) по числу орбиталей центрального атома, содержащих
несвязывающие электронные пары (неподеленные электронные пары, не
принимающие участия в образовании связей), и орбиталей, содержащих
электроны, участвующие в -связывании, определить общее число
орбиталей, участвующих в гибридизации:
Nгибридизующ.= Nорбиталей с несвязыв.эл.парами + Nорбиталей с электронами, участв. в -связывании
Например, при образовании молекулы BF3 в гибридизации участвуют
три орбитали атома бора (орбитали, содержащие электроны, участвующие в
 связывании). При образовании молекулы NH3 в гибридизации участвуют
четыре орбитали атома азота (одна орбиталь, содержащая несвязывающую
электронную пару, и три орбитали, содержащие электроны, участвующие в
-связывании). При образовании молекулы СО2 в гибридизации участвуют
две орбитали атома углерода (орбитали, содержащие электроны,
участвующие в -связывании). При образовании иона NH4+, как и при
образовании иона BF4-, в гибридизации участвуют четыре орбитали
центрального атома (орбитали, содержащие атомы, участвующие в связывании).
7) по числу орбиталей центрального атома, участвующих в
гибридизации, определить тип гибридизации; по типу гибридизации
орбиталей центрального атома и типу частицы (в общем виде АВn-mЕm, где
Е – несвязывающая электронная пара) определить пространственную
конфигурацию данной молекулы;
Например, в молекуле СО2 атом углерода имеет две гибридные
орбитали, находится в состоянии sp-гибридизации, образует две -связи С–О
и не имеет несвязывающих электронных пар, следовательно, молекула СО2
должна быть линейной. В молекуле BF3 атом бора имеет три гибридные
орбитали, находится в состоянии sp2-гибридизации, образует три -связи B–F
и не имеет несвязывающих электронных пар, следовательно молекула BF3
должна иметь форму правильного треугольника. В молекуле NH3 атом азота
имеет четыре гибридные орбитали, находится в состоянии sp3-гибридизации,
образует три -связи N–H и имеет одну несвязывающую электронную пару,
следовательно, молекула NH3 должна иметь форму тригональной пирамиды.
В ионах NH4+ и BF4- атомы азота и бора имеют четыре гибридные орбитали
каждый, находятся в состоянии sp3-гибридизации, образуют четыре -связи
N–H и B–F соответственно и не имеют несвязывающих электронов,
следовательно эти ионы должны иметь форму тетраэдра.
8) по разнице общего количества неспаренных электронов
центрального и периферических атомов и электронов центрального и
периферических атомов, использованных на образование -связей по
обменному механизму, определить возможность π-связывания по обменному
механизму, учитывая, при необходимости, делокализацию π-связи.
Например, в молекуле СО2 из восьми неспаренных электронов (их
имеют в сумме один атом углерода и два атома кислорода) только четыре
(два электрона атома углерода и по одному электрону двух атомов
кислорода) использованы на σ-связывание, следовательно, за счет
оставшихся четырех неспаренных электронов могут образоваться (и
образуются) две π-связи по обменному механизму. В молекуле BF3, как и
молекуле NH3, центральный и периферический атомы имеют в сумме шесть
неспаренных электронов, и все эти электроны использованы на образование
трех σ-связей, следовательно, π-связи в этих молекулах образоваться по
обменному механизму не могут.
9) по наличию вакантных валентных орбиталей центрального атома и
соответствующего количества орбиталей периферических атомов с
неподеленными
электронными
парами
определить
возможность
дополнительного π-связывания по донорно-акцепторному механизму (при
отсутствии пространственных и энергетических затруднений), учитывая,
при необходимости, делокализацию π-связи.
Например, в молекуле BF3 после образования трех σ-связей у атома
бора остается вакантная 2р-орбиталь, а у каждого из трех атомов фтора
имеются
неиспользованные
неподеленные
2р-электронные
пары,
следовательно, между атомом бора и тремя атомами фтора возможно
образование одной делокализованной π-связи по донорно-акцепторному
механизму. В молекулах NH3 и СО2 после образования σ-связей у
центральных атомов вакантных валентных орбиталей не остается,
следовательно, дополнительные π-связи в этих молекулах образоваться по
донорно-акцепторному механизму не могут.
10) проверить соответствие определенной пространственной
конфигурации молекулы значениям длин связей и валентных углов,
полученным исходя из магнитных и электронных свойств соединений (см.
приложение 2).
Теперь выполнить все пункты задания 2.3.1 не составит большого
труда.