Типы гибридизации АО. Полярность молекул. Геометрическая структура молекул

Задача 261.

Какие типы гибридизации АО углерода соответствуют образованию молекул СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄, С₂Н₂? 

Решение:

а) В молекулах СН₄ и С₂Н₆ валентный электронный слой атома углерода содержит четыре электронных пары:

Поэтому электронные облака атома углерода в молекулах СН₄, С₂Н₆ будут максимально удалены друг от друга при sp³-гибридизации, когда их оси направлены к вершинам тетраэдра. При этом в молекуле СН₄ все вершины тетраэдра будут заняты атомами водорода, так что молекула СН₄ имеет тетраэдрическую конфигурацию с атомом углерода в центре тетраэдра. В молекуле С₂Н₆ атомы водорода занимают три вершины тетраэдра, а к четвёртой вершине направлено общее электронное облако другого атома углерода, т.е. два атома углерода соединены друг с другом. Это можно представить схемами:

б) В молекуле С₂Н₄ валентный электронный слой атома углерода, как и в молекулах СН₄, С₂Н₆. содержит четыре электронные пары:

При образовании  С₂Н₄ три ковалентные связи образованы по обычному механизму, т.е. являются — связями, и одна — — связь. При образовании молекулы С₂Н₄ каждый атом углерода с двумя атомами водорода — связями и друг с другом двумя связями, одной — и одной — связями. Гибридные облака, соответствующие данному типу гибридизации, располагаются в атоме углерода так, чтобы взаимодействие между электронами было минимальным, т.е. как можно дальше друг от друга. Данное расположение атомов углерода (две двойные связи между атомами углерода) характерно для sp²-гибридизации АО углерода. При sp²-гибридизации электронные облака в атомах углерода ориентированы в направлениях, лежащих в одной плоскости и составляющих друг с другом углы в 120⁰, т.е. в направлениях к вершинам правильного треугольника. В молекуле этилена в образовании  — связей участвуют три sp²-гибридные орбитали каждого атома углерода, две между двумя атомами водорода и одна со вторым атомом углерода, а — связь образуется за счёт р-электронных облаков каждого атома углерода. Структурная формула молекулы С₂Н₄ будет иметь вид:

в) В молекуле С₂Н₂ валентный электронный слой атома углерода содержит четыре пары электронов:

Структурная формула С₂N₂ имеет вид:

Каждый атом углерода соединён одной электронной парой с атомом водорода и тремя электронными парами с другим атомом углерода. Таким образом, в молекуле ацетилена атомы углерода соединены друг с другом одной -связью и двум -связями. С водородом каждый атом углерода соединён  -связью. В образовании — связей участвуют две sp-гибридные АО, которые расположены друг относительно друга так, что взаимодействие между ними минимальное, т.е. как можно дальше друг от друга. Поэтому при sp-гибридизации электронные облака между атомами углерода ориентированы в противоположных направлениях друг относительно друга, т.е. угол между связями С—С составляет 180⁰. Поэтому молекула С₂Н₂ имеет линейное строение:

Задача 262. 
Указать тип гибридизации АО кремния в молекулах SiH₄ и SiF₄. Полярны ли эти молекулы?
Решение:
В молекулах SiH₄ и SiF₄ валентный электронный слой содержит четыре пары электронов:

Поэтому в обоих случаях электронные облака атома кремния будут максимально удалены друг от друга при sp³-гибридизации, когда их оси направлены к вершинам тетраэдра. При этом в молекуле SiH₄ все вершины тетраэдра заняты атомами водорода, а в молекуле SiF₄ – атомами фтора, так что эти молекулы имеют тетраэдрическую конфигурацию с атомом кремния в центре тетраэдра:

В тетраэдрических молекулах SiH₄ и SiF₄ дипольные моменты связей Si—H и Si—F взаимно компенсируют друг друга, так что суммарные дипольные моменты обоих молекул будут равны нулю. Эти молекулы неполярны, несмотря на полярность связей Si—H и Si—F.

Задача 263. 
В молекулах SО₂ и SО₃ атом серы находится в состоянии sp²-гибридизации. Полярны ли эти молекулы? Какова их пространственная структура?
Решение:
При sp²-гибридизации гибридные облака располагаются в атоме серы в направлениях, лежащих в одной плоскости и составляющих друг с другом углы в 120⁰, т.е. направленных к вершинам правильного треугольника.

а) В молекуле SО₂ две sp²-гибридные АО образуют связь с двумя атомами кислорода, третья sp²-гибридная орбиталь будет занята свободной электронной парой. Эта электронная пара будет смещать электронную плоскость и молекула SО₂ примет форму неправильного треугольника, т.е. угол OSO не будет равен 120⁰. Поэтому молекула SО₂ будет иметь угловую форму при  sp²-гибридизации орбиталей атома структуру:

В молекуле SО₂ взаимной компенсации дипольных моментов связей S—O не происходит; дипольный момент такой молекулы будет иметь значение больше нуля, т.е. молекула полярна. 

б) В угловой молекуле SО₃ все три sp2-гибридные АО образуют связь с тремя атомами кислорода.Длина связи S – O равна 0,142 нм, валентный угол составляет 120°. Молекула SО₃ будет иметь форму плоского треугольника с sp²-гибридизацией атома серы:

В треугольной молекуле SО₃ дипольные моменты связей S—O взаимно компенсируют друг друга, так что суммарный дипольный момент будет равен нулю, молекула неполярна.

Задача 264. 
При взаимодействии SiF₄ с HF образуется сильная кислота Н₂SiF₆, диссоциирующая на ионы Н⁺  и SiF₆^2-. Может ли подобным образом протекать реакция между СF₄ и НF? Указать тип гибридизации АО кремния в ионе  SiF₆^2-.
Решение:
а) При возбуждении атом кремния переходит из состояния 1s²2s²2p⁶3s²3p² в состояние 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d⁰, а электронное строение валентных орбиталей соответствует схеме:

Четыре неспаренных электрона возбуждённого атома кремния могут участвовать в образовании четырёх ковалентных связей по обычному механизму с атомами фтора (1s²2s²2p⁵), имеющими по одному неспаренному электрону с образованием молекулы SiF₄. 

При взаимодействии SiF₄ с HF образуется кислота Н₂SiF₆. Это возможно, потому что в молекуле SiF₄ имеются свободные 3d-орбитали, а в ионе F- (1s²2s²2p⁶) свободные пары электронов. Связь осуществляется по донорно-акцепторному механизму за счёт пары электронов каждого из двух ионов F^— (HF ↔ H⁺ + F^—) и свободных 3d-орбиталей молекулы SiF₄. При этом образуется ион SiF₆^2-, который с ионами H⁺  образует молекулу кислоты Н₂SiF₆.

б) Углерод (1s²2s²2p²) может образовать, подобно кремнию, соединение СF₄, но при этом валентные возможности атома углерода будут исчерпаны (нет неспаренных электронов, свободных пар электронов и свободных валентных орбиталей на валентном уровне). Схема строения валентных орбиталей возбуждённого атома углерода имеет вид:

При образовании СF₄ все валентные орбитали углерода заняты, поэтому ион   образоваться не может.

В молекуле SiF₄ валентный электронный слой атома кремния содержит четыре пары электронов:  

Это же наблюдается и для молекулы СF₄. поэтому в обоих случаях электронные облака атомов  кремния и углерода будут максимально удалены друг от друга при sp3-гибридизации. Когда их оси будут направлены к вершинам тетраэдра: