Читайте также:
|
1. Определите вид гибридизации электронных орбиталей в молекуле германа 
и пространственную конфигурацию этой молекулы.
Решение. Переход в возбужденное состояние внешнего энергетического уровня атома германия под действием энергии активации химической реакции осуществляется по схеме: Ge: 4s2 4p2 + ħν → Ge*: 
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
| ↑ | ↑ |
| ↑↓ |
При этом возникают четыре гибридных 
-электронных орбитали (вид гибридизации - ), с которыми образуют четыре σ-связи s-орбитали четырех атомов водорода, их ядра располагаются по вершинам тетраэдра:
*: + 
: 
→ : 
.
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
| ↓ |
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
→
+ 4
+ 
→
Схема пространственного расположения ядер атомов германия и водорода в молекуле германа имеет вид:
○ Ge
●Н
H● ● H
●H
Ответ: в молекуле вид гибридизации , пространственная конфигурация – тетраэдр с ядром атома германия в его вершине.
2. Объясните, в чем причина различной пространственной структуры молекул 
и 
.
Решение. В возбужденном состоянии внешний энергетический уровень атома бора представляет собой систему с тремя 
- гибридизованными орбиталями, направленными к вершинам плоского треугольника под углом 1200 друг к другу:
| ↑ | ↑ | ↑ |
*: 
В каждом из трех атомов хлора имеется по одному валентному 3 
- не спаренному электрону, но несмотря на наличие вакантной d-орбитали, гибридизации р- и d-орбиталей не происходит:
| ↑↓ |
| ↑↓ | ↑↓ | ↓ |
Cl: 
В молекуле бора хлорида валентные электроны атомов хлора ориентируются по осям координат, занимая соответственно положения 
, 
и 
, позволяющие им образовывать электронные пары с гибридными орбиталями атома бора. Таким образом, молекула 
имеет треугольное плоскостное строение, в центре располагается ядро атома бора, а по вершинам треугольника – ядра атомов хлора:
● Cl
○B
Cl ● ● Cl
В молекуле аммиака атом азота, обладая тремя не спаренными электронами на внешнем валентном уровне, направленными к вершине треугольной пирамиды, где размещается ядро атома азота со свободной электронной парой на внешнем валентном уровне, способен образовать три полярные σ-связи с тремя электронными орбиталями трех атомов водорода:
: 
+ 
: → : 
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
| ↑ | ↑ | ↑ |
| ↑↓ |
| ↓ |
N + 3 H → NH3
Пространственное строение молекулы – треугольная пирамида, в вершине – ядро атома азота, в вершинах треугольника - основания размещаются ядра атомов водорода: ○N
●H
H● ●H
Подтверждением такого различия в пространственном строении молекул аммиака и бора хлорида является высокое значение полярности молекулы (
= 16,32 D) и отсутствие полярности в молекуле ( = 0), хотя связь 
является полярной (ΔЭО = 1,0, см. Приложение № 3).
Ответ: различие пространственной структуры молекул и объясняется 
- гибридизацией электронных орбиталей атома бора, обеспечивающей их более выгодное перекрывание с орбиталями атомов хлора и образование неполярной молекулы, в отличие от атома азота, где 
- гибридные АО азота, перекрываясь с орбиталями атомов водорода, образуют взаимно не компенсирующиеся полярные связи.
3. Объясните, почему существует соединение фосфора пентафторид 
, но никогда не образуется азота пентафторид 
.
Решение. Азот и фосфор, располагаясь в главной подгруппе V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, обладают одинаковой конфигурацией внешнего электронного уровня 
. Но азот находится во II периоде и, следовательно, его внешний энергетический уровень состоит только из s- и р- подуровней:
| ↑ | ↑ | ↑ |
| ↑↓ |
: 
Валентные возможности атома азота ограничиваются тремя не спаренными p-электронами, которые с тремя атомами фтора могут образовать только соединение азота трифторид 
.
Фосфор находится в III периоде, следовательно, его внешний энергетический уровень состоит из s-, p- и d- подуровней:
| ↑ | ↑ | ↑ |
| ↑↓ |
: 
3s2 3p3 3d0
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
При возбуждении атома фосфора возможен переход одного 3s-электрона на 3d-подуровень, при этом валентность фосфора становится равной пяти: Р* 
. Он её и проявляет в соединении фосфора пентафторид :
4. Определите. какие σ- и π- связи образуются в молекулах этилена 
и ацетилена 
. Выясните, как это влияет на пространственное строение и химические свойства молекул.
Решение. Уникальность бесчисленного множества соединений, в которых участвует атом углерода, заключается в его возможности образовывать различные типы связей четырьмя своими валентными 
- и 
- электронами. При этом для углерода, в зависимости от партнеров по связям, возможны три типа гибридизации электронных орбиталей: 
-, 
- и - гибридизация.
Рассмотрим, например, химические связи в молекуле этилена . Анализ возможных вариантов образования связей в данной молекуле показывает, что наибольшее перекрывание орбиталей, а, следовательно, формирование системы с наименьшей потенциальной энергией, возникает, когда одна s-орбиталь и две p-орбитали атомов углерода образуют три - гибридные орбитали, а третья p-орбиталь остаётся «чистой». Как показано на Рис.3 (а), при - гибридизации электронные орбитали каждого из двух атомов углерода располагаются в одной плоскости под углом 1200 друг к другу. Эти гибридные орбитали образуют пять σ-связей: одну связь 
и четыре связи 
, которые лежат в одной плоскости под углами 1200 друг к другу.
Экспериментальное исследование показывает, что молекула этилена действительно имеет плоскостное строение. Очевидно, что оставшиеся негибридизированными - орбитали атомов углерода образуют между собой π- связь. Для выполнения условия максимальной удаленности орбиталей друг от друга π- связь располагается в плоскости, перпендикулярной σ-взаимодействию.
|
Как видим, две связи между атомами углерода в молекуле этилена 
неодинаковы. Этим и объясняются особенности двойной связи в органических соединениях. Ввиду меньшей прочности π- связи по сравнению с σ- связью энергия двойной связи меньше удвоенного значения энергии одинарной связи .
Рис.3. Схема пространственного строения молекул этилена 
(а) и ацетилена 
(б).
Вот почему последующее образование из двойной связи двух одинарных σ- связей приводит к выигрышу энергии, что объясняет ненасыщенный характер органических соединений с двойной связью и их высокую реакционную способность.
В молекуле ацетилена или 
только два электрона углеродного атома образуют гибридные орбитали – происходит - гибридизация. Две 
- гибридные орбитали располагаются под углом 1800 друг к другу (см. Рис.3, б). Эти орбитали образуют две σ-связи: одна между атомами углерода и вторая связь .
Молекула ацетилена имеет линейное строение. Две негибридизированные - и - орбитали у каждого из атомов углерода располагаются под углом 900 друг к другу. Эти орбитали образуют две π-связи, электронные орбитали которых располагаются во взаимно и относительно σ-взаимодействия перпендикулярных плоскостях.
Тройная связь 
в молекуле ацетилена еще более ненасыщенная, чем двойная связь в молекуле этилена, а поэтому ацетилен проявляет большую химическую активность, чем этилен.
5. Объясните механизм образования молекулы 
[ 
] с позиций метода валентных связей. Выясните, может ли подобное соединение образовать атом углерода.
Решение. Химизм процесса образования комплексного соединения водорода гексафторосиликата легко представить в виде реакции:
+ 
= [ ] + 
↑.
Для выяснения механизма образования связей в полученном комплексном соединении представим, что в действительности окисление кремния реализуется в две стадии: через образование промежуточного соединения – кремния тетрафторида 
по реакции
+ 
= + ↑,
с последующим присоединением к двум молекулам фтороводорода:
+ 
= [ ].
В основном состоянии атом кремния имеет электронную конфигурацию 
: 
. Графическая схема внешнего валентного уровня свидетельствует о наличии в атоме Si двух не спаренных электронов и 6 вакантных орбиталей:
| ↑↓ | ↑ | ↑ |
При возбуждении атом кремния переходит в состояние Si*:… 
( -гибридизация) и графическая схема его валентного состояния становится иной:
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
Четыре не спаренных электрона возбужденного атома кремния, как более электроотрицательного, оттягивают на себя валентные 
-электроны 4-х атомов фтора, образуя с ними 4 ковалентные связи по обменному механизму (так образуется молекула ). На вакантные места в структуре внешнего валентного уровня кремния могут быть приняты электронные пары связанных (в линейной молекуле 
) атомов фтора (их электронное строение соответствует формуле 
) по донорно-акцепторному механизму. Теоретически таких пар могло бы быть четыре, однако в силу пространственной ограниченности вблизи атома кремния может разместиться не более 6 атомов фтора. Вот почему на вакантные гибридные q-орбитали атома кремния переходят две 
-пары электронов двух связанных в полярных молекулах атомов фтора, образуя комплексную молекулу [ ], в которой электронные пары 6 ковалентных связей кремния располагаются в пространстве тетрагональной бипирамиды (
– гибридизация), как представлено на следующей схеме (Рис. 4).
Что же касается атома углерода (
), то он может, также как и кремний, вступать в реакцию окисления с образованием в молекуле 
четырех ковалентных связей по обменному механизму. Но при этом валентные возможности углерода будут исчерпаны, так как на его валентном уровне не остаётся ни не спаренных электронов, ни вакантных орбиталей. Следовательно, дальнейшая реакция присоединения для молекулы становится невозможной.
● ●
○ ● ○ ● ○
● ●
Рис. 4. Схема размещения ядер взаимодействующих атомов в молекуле 
[ 
].
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 190 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Пример 1. Определение основных характеристик химической связи | | | Пример 3. Описание химической связи методом молекулярных орбиталей |