6.2.3. Объяснение строения молекул по методу валентных связей (вс)

Образование молекул по методу ВС может происходить по обменному донорно-акцепторному механизму. Первый основан на перекрывании одноэлектронных атомных орбиталей; второй связан с наличием атомов-доноров, имеющих электронную пару, и атомов-акцепторов, у которых есть свободные орбитали.

Пример 8. Объясните образование химических связей в молекуле NН₃ и ее строение по обменному механизму.

Решение: объяснения образования химических связей в молекуле NH₃ по обменному механизму необходимо: написать электронные формулы атомов азота и водорода; определить их валентные электроны и ковалентность каждого атома.

Азот ₇N 1s²2s²2р³ – р-элемент; валентные электроны 2s² 2р³ . Ковалентность атома равна трем . Поэтому образуются три ковалентные связи.

Водород 1Н 1s¹ – s-элемент; валентные электроны 1s¹; ковалентность равна 1 , атом образует одну ковалентную связь.

В образовании трёх химических связей N–H в молекуле NН₃ принимают участие три одноэлектронные р-орбитали атома азота и одна одноэлектронная s-орбитали трёх атомов водорода. Перекры­вание s-p орбиталей происходит в направлении наибольшей вытянутости р-орбиталей в пространстве, расположенных под углом 90°. После перекрывания форма молекулы NH₃ – тригональная пи­рамида с валентным углом H–N–H, равным 107°20' (рис. 2).

Рис. 2. Строение молекулы аммиака

Отклонение величины угла от 90° вызвано тем, что связь N–H полярна (ЭО_N = 3,0; ЭО_Н = 2,1). Связующие электронные пары несколько смещены от атомов водорода к атому азота (ЭО_N > ЭО_H). Поэтому положительно заряженные атомы водорода, а также электронные пары трёх связей N–H отталкиваются друг от друга, что приводит к увеличению валентного угла до 107°20'.

Пример 9. Объясните образование иона аммония NH₄⁺ из молекулы аммиа­ка NH₃ и иона водорода Н⁺ по донорно-акцепторному механизму.

Решение. Образование связей в молекуле NН₃ по обменному механизму дано в примере 8. Как следует из объяснений, три ковалентные связи образуются по обменному механизму за счёт трех валентных одноэлектронных р-орбиталей атома азота. Но, кроме того, атом азота имеет ещё валентную двухэлектронную s-орбиталь (2s²), которая может быть донором по отношению к акцептору – иону водорода, имеющему свободную орбиталь. Поэтому атом азота может образовы­вать четвёртую ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. Образование четвёртой ковалентной связи (донорно-акцепторной) в ионе аммония NH₄⁺ можно представить схемой:

Донор Акцептор

Ион аммония имеет форму тетраэдра за счёт s¹р³-гибридизации (см. п. 6.2.4).

6.2.4. Определение типа гибридизации атомных орбиталей пространственной конфигурации молекулы по методу вс

Пример 10. Определите тип гибридизации атомных орбиталей, пространственную конфигурацию и полярность молекулы ВН₃.

Решение. Бор ₅В ls²2s²2p¹ – р-элемент; валентные электроны 2s²2p¹; ковалентность атома в нормальном (невозбуждённом) состоянии равна единице .

Водород ₁Н 1s¹ – s-элемент; валентные электроны 1s¹; ковалентность равна единице . В нормальном состоянии атом бора может образовывать только одну химическую связь за счёт одного непарного р-электрона. Однако состав молекулы ВН₃ указывает на то, что бор образует три химические связи, т.е. его

ковалентность равна трём. Это возможно при переводе атома из нормального в возбуждённое состояние (рис. 3).

Рис. 3. Образование гибридных орбиталей атома бора

Три гибридные орбитали располагаются симметрично в пространстве под углом 120⁰ друг к другу и направлены к вершинам правильного треугольника. Три гибридные орбитали атома бора образуют с одноэлектронными s-орбиталями трёх атомов водорода три химические связи в молекуле ВН₃, которая имеет фор­му правильного треугольника (рис. 4).

Рис. 4. Строение молекулы ВН₃

Несмотря на то, что связи В–Н полярны (ЭО_B = 2,0; ЭО_Н = 2,1), молекула неполярна, т.к. имеет симметричное строение. Результирующая векторной суммы электрических моментов диполей трех связей В–Н равна нулю (см. рис. 4).

Гибридизация атомных орбиталей определяет пространственную конфигу­рацию молекул и ионов (табл. 2).

Таблица 2

Пространственные структуры некоторых молекул и ионов

Гибридизация атомных орбиталей	Пространственная конфигурация	Валентный угол	Молекулы, ионы
s^1p^1	Линейная	180^0	BeH2, BeCl2, CO2
s^1p^2	Треугольная плоская	120^0	BF3, NO3^–, CO3^2–
s^1p^3	Тетраэдрическая	109^020	CH4, BF4^–, SO4^2–, SO2Cl2
s^1p^2d^1	Квадратная плоская	90^0	[AuCl4]^–
s^1p^3d^1	Тригональная бипирамидальная	90 и 120^0	PF5, SbCl5
s^1p^3d^2	Октаэдрическая	90^0	SF6, [CoF6]^3–, [Cr(NH3)6]^3+