Полярность и поляризуемость ковалентной связи и молекул
Лекция 4. Теория гибридизации и геометрия молекул.
Ключевые слова: направленность ковалентной связи, геометрия молекул, гибридизация, гибридные орбитали, полярность, поляризуемость, электрический момент диполя.
Направленность ковалентной связи определяет геометрическую структуру (форму) молекулы. Атомные орбитали имеют разные формы и размеры, разную ориентированность в пространстве и перекрываются по определенным, предпочтительным направлениям, в которых достигается максимальная плотность перекрывания. Это приводит к образованию молекулы определенной геометрической формы (линейной, угловой, тетраэдрической и др.). Например, атом серы в сероводороде образует связи с атомами водорода за счет p-электронов, ориентированных вдоль осей координат под углом 90о. Это хорошо объясняет экспериментально наблюдаемый валентный угол ∟HSH между направлениями связей, равный 92о, и угловую геометрию молекулы H2S. Для объяснения валентных углов и геометрической структуры молекул при образовании химических связей электронами разных подуровней в теории ВС используются: 1) метод отталкивания валентных электронных пар (ОВЭП); 2) концепция гибридизации, предложенная Л. Полингом. Согласно этой концепции, при образовании связей орбитали разной симметрии смешиваются и переходят в гибридные атомные орбитали (АО) одинаковой формы, одинаковой усредненной энергии и симметрично расположенные вокруг центрального атома, что обеспечивает равноценность образуемых ими связей. Число гибридных орбиталей равно числу исходных. Относительное пространственное положение гибридных орбиталей в атоме определяется тем, что электроны с параллельными спинами стремятся находиться возможно дальше друг от друга (ОВЭП). Это уменьшает силы отталкивания и таким образом понижает энергию системы. Примеры некоторых видов гибридизации. sp-Гибридизация: в этом случае «перерождаются» одна s- и одна р-орбиталь, при этом возникают две гибридные sp-орбитали, располагающиеся на одной прямой; угол между их направлениями 1800 (BeCl2). sp2-Гибридизация: гибридизуются одна s- и две р-орбитали, угол 1200 (BCl3). При sp3-гибридизации валентный угол составляет 109028' (CH4).
Возможны также гибридные орбитали с участием d-атомных орбиталей (sp2d, sp3d, sp3d2). Геометрия молекул формируется типом гибридизации АО центрального атома. При образовании π-связи наблюдается максимальное перекрывание орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей ядра связанных атомов, вращение вокруг π-связи невозможно. σ-Связь формирует геометрическую форму молекулы, а π-связь упрочняет и закрепляет ее.
Связь в двухатомных молекулах, образованная из одинаковых атомов (Н2) или атомов близких по электроотрицательности (ЭО), называется неполярной(гомеополярной). Связь, образованная различными атомами, отличающимися ЭО, называется полярной(гетерополярной). В таких молекулах электронная плотность перекрывающихся электронных облаков смещена к более ЭО атому. Полярность связи обуславливается различием ЭО и размеров атомов. Полярность связи обуславливает полярность молекулы, то есть несимметричное распределение электронной плотности, при котором «центры тяжести положительных и отрицательных зарядов» в молекуле не будут совпадать в одной точке. Между ними возникает какое-то расстояние – дипольное расстояние или длина диполя. Количественно полярность молекул оценивается величиной электрического дипольного момента. Электрическим дипольным моментом (μп) называется произведение абсолютного заряда электрона q на расстояние между зарядами (длина диполя l) и выражается в дебаях (1Д= 10-30 Кл·м): μп=q∙l. Электрический дипольный момент – величина векторная, то есть характеризуются направленностью (условно от положительного к отрицательному заряду). Электрический дипольный момент молекулы определяется как векторная сумма электрических дипольных моментов связей и, следовательно, зависит от полярности связей и геометрии молекулы. Неполярные молекулы - это молекулы с неполярными связями, а также молекулы, имеющие симметрично (линейная, плоско-треугольная, тетраэдрическая, октаэдрическая ориентация) расположенные вокруг центрального атома одинаковые полярные связи. Полярными являются молекулы, содержащие полярные связи и несимметричное геометрическое строение.
Поляризуемостью ковалентной связи и (или) молекулы называют ее способность под действием внешнего электрического поля становиться полярной или более полярной. Поляризуемость π-связи выше, чем поляризуемость σ-связи. Поляризуемость молекулы возрастает с увеличением ее объема и числа π-связей. Постоянный момент диполя полярной связи (молекулы) μn в электрическом поле становится больше на величину μi, равную временному наведенному или индуцированному диполю μ=(μn+μi). Роль внешнего электрического поля могут играть заряженные частицы, входящие в состав самого соединения (ионы или атомы с большим эффективным зарядом). Поляризующее действие иона приводит к деформации электронной оболочки соседней частицы, которая тем больше, чем больше их поляризуемость.
Контрольные вопросы:
1. Направленность ковалентной связи. Геометрия молекул.
2. Типы гибридных орбиталей.
3. Полярность ковалентной связи, полярность молекул.
4. Поляризуемость ковалентной связи, поляризуемость молекулы.
Список рекомендуемой литературы:
1. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - М.: КНОРУС, 2009. - С. 136 - 142.
2. Коровин Н.В. Общая химия: учебник для технических направл. и спец. вузов - 7-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 48 – 57.
Н.М. Шаймарданов