Теория отталкивания электронных пар валентного уровня - Типы химических связей. Ковалентная связь

Исходя из электростатических представлений Гиллеспи предложил более общую теорию пространственного строения молекул. Основные положения:

    1. Геометрия молекулы или иона определяется только числом электронных пар на валентном уровне центрального атома. 2. Электронные пары занимают такое расположение на валентной оболочке атома, когда они максимально удалены друг от друга, т. е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались. 3. Область пространства, которую занимает несвязывающая (неподеленная) пара электронов имеет Большие размеры, чем та область, которая занята связывающей электронной парой. 4. Размер области пространства, занятой связывающей парой электронов, уменьшается с увеличением электроотрицательности лиганда и с уменьшением электроотрицательности центрального атома. 5. Две электронные пары двойной связи занимают большую область пространства, чем одна электронная пара простой связи.

Обозначения, которые используются для описания геометрической конфигурации молекул: А - многовалентный атом; X - атомы, связанные с атомом А;

N - число атомов X; E - неподеленная пара электронов; m - количество неподеленных электронных пар.

Тогда формула молекулы по Гиллеспи записывается так: AXNEM.

Геометрия молекулы зависит от суммы (n + m). Число n, которое определяет количество атомов X, непосредственно присоединенных к атому A, совпадает с его координационным числом. Каждая электронная пара принимается за точечный заряд. Центральный атом А помещается в центр сферы некоторого радиуса, который для однотипных присоединенных атомов X равен длине связи A-X. На поверхности сферы располагаются точечные электронные пары.

Применяя правило максимального удаления электронных пар на сфере друг от друга, можно вывести геометрию простейших молекул и ионов, постепенно увеличивая сумму поделенных и неподеленных пар (рис.4 и табл.1). валентный гибридизация полярность ковалентный

Молекулу AX рассматривать не имеет смысла, так как она всегда будет линейной, независимо от количества неподеленных электронных пар у атома А.

Молекула AX2 также всегда линейна, так как максимальное отталкивание двух электронных пар будет располагать их на концах диаметра условной сферы.

Три связывающие электронные пары, максимально удаленные друг от друга, образуют правильный треугольник (молекула AX3). В этом случае угол X-A-X равен 120О. Такое строение имеют молекулы BF3, AlF3. Если одну из связывающих электронных пар заменить неподеленной парой электронов, тогда молекула будет описываться формулой AX2E и иметь угловое строение, причем, согласно третьему правилу Гиллеспи, угол X-A-X станет меньше 120О. Примером такой геометрии может служить молекула SnF2.

зависимость геометрии молекул от расположения атомов и электронных пар на поверхности сферы

Рис. 4. Зависимость геометрии молекул от расположения атомов и электронных пар на поверхности сферы.

Четыре связывающие пары электронов будут образовывать в пространстве тетраэдр. По теории Гиллеспи это тип молекулы AX4. Угол X-A-X составит 109О28?. Типичными представителями этого типа молекул являются молекулы CH4, CCl4, SnF4. Последовательно уменьшая число связывающих пар электронов и увеличивая число неподеленных электронных пар, для молекул типа AX3E получим тригонально-пирамидальное строение (молекула аммиака NH3), а для молекул типа AX2E2 - угловое (молекула воды H2O).

Координационное число "пять" реализуется в молекулах типа AX5. Примерами подобных молекул являются пентафторид или пентахлорид фосфора (PF5, PCl5). Пять атомов галогенов в пространстве занимают вершины тригональной бипирамиды. Три атома располагаются в экваториальной плоскости, образуя равнобедренный треугольник, а два - соответственно над и под этой плоскостью. Расстояние A-X от центра молекулы до одной из вершин пирамиды, называемое аксиальным, больше аналогичного экваториального.

Валентный угол между связями, лежащими в экваториальной плоскости, равен 120О, а валентный угол между связями, лежащими в аксиальной плоскости - 180О. У молекул, являющихся производными от тригональной бипирамиды, для неподеленных электронных пар возникают две альтернативные возможности расположения. При аксиальном расположении она испытывает отталкивание от трех близлежащих атомов, а в экваториальной - от двух. Поэтому первые неподеленные пары электронов всегда занимают экваториальное положение как энергетически наиболее выгодное. Примером может служить молекула тетрафторида серы SF4, которая имеет форму качелей или дисфеноида. В молекулах типа AX3E2, таких, как ClF3 или ICl3, вторая неподеленная электронная пара располагается также в экваториальной плоскости. Поэтому все четыре атома находятся в одной плоскости, напоминая по форме букву Т. За счет того, что неподеленная пара электронов занимает в пространстве область Большего размера, происходит искажение соответствующих валентных углов в сторону их уменьшения. Третья неподеленная пара электронов, также занимая положение в экваториальной плоскости, превращает Т-образную молекулу в линейную. Представителем молекул типа AX2E3 является молекула дифторида ксенона XeF2.

Наиболее выгодное размещение шести атомов X вокруг центрального атома A - октаэдрическое. Молекулы типа AX6, например, SF6, имеют форму октаэдра. Первая неподеленная пара электронов будет занимать любую из вершин октаэдра, превращая его в квадратную пирамиду. Примером молекулы типа AX5E может служить IF5. Для второй неподеленной электронной пары имеются две возможности расположения: по соседству с первой (цис-положение) и напротив нее (транс-положение). Максимальное отталкивание электронных пар заставляет занять транс-положение. Вследствие этого молекулы типа AX4E2 имеют форму квадрата, например, XeF4.

Таблица 1.

Число электронных пар

Координация

N

M

Тип Молекулы

Форма молекулы

Примеры

2

Линейная

2

0

АХ2

Линейная

BeH2, BeCl2

4

Тетраэдр
    4 3 2
    0 1 2

АХ4

АХ3Е

АХ2Е2

Тетраэдр

Тригональная бипирамида

Гловая

СН4, SiCl4

NH3, PH3

Н2О, SCl2

5

Тригональная бипирамида

5

    4 3 2
    0 1 2

3

АХ5

АХ4Е

АХ3Е2

АХ2Е2

Тригональная бипирамида

Дисфеноид

Т-образная

Линейная

PCl5,AsF5

SF4

ClF3

XeF2

6

Октаэдр
    6 5 4
    0 1 2

АХ6

АХ5Е

АХ4Е2

Октаэдр

Квадратная бипирамида

Плоский квадрат

SF6

BrF5

XrF4

Похожие статьи




Теория отталкивания электронных пар валентного уровня - Типы химических связей. Ковалентная связь

Предыдущая | Следующая