Строение по химическим и физическим данным
Как данные указывают на строение
Строение молекулы не всегда удаётся определить непосредственно. Поэтому химик предлагает модель строения и проверяет, согласуется ли она с измерениями и результатами реакций. Разные данные позволяют проверить разные особенности модели.
Дипольный момент характеризует распределение электрического заряда в молекуле. Вещество с неспаренными электронами парамагнитно, а вещество без них диамагнитно. Длины связей помогают сравнить их кратность. Наконец, число изомеров — частиц одинакового состава, но различного строения — зависит от возможного расположения атомов.
| Данные | Что позволяют установить | Пример |
|---|---|---|
| Дипольный момент | Есть ли у молекулы суммарная полярность. | Для \(\ce{XeF2}\) значение \(\mu = 0\) согласуется с линейной формой; для \(\ce{SF4}\) значение \(\mu \ne 0\) согласуется с дисфеноидной формой молекулы. |
| Магнитные свойства | Есть ли в частице неспаренные электроны. | \(\ce{NO2}\) парамагнитен и является радикалом, а \(\ce{N2O4}\) диамагнитен. |
| Длина связи | Одинаковы ли связи и какова их кратность. | В \(\ce{NO3-}\) все три связи N–O имеют длину 124 пм. Это указывает на делокализацию электронов между связями. |
| Число изомеров | Какие расположения атомов допускает форма молекулы. | Для \(\ce{PF3Cl2}\) тригональная бипирамида допускает три расположения атомов хлора, однако известен лишь один изомер: оба атома хлора в нём занимают экваториальные положения. |
| Продукты реакций | Какие предположения о строении согласуются с превращением вещества. | При реакции одной молекулы \(\ce{B2H6}\) с водой образуются 6 молекул \(\ce{H2}\). |
Результаты реакций особенно полезны тогда, когда вещества с близким составом ведут себя по-разному. При этом отдельная реакция обычно не раскрывает строение целиком: её вывод сопоставляют с другими данными.
scienceСтроение и химические превращения
- \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\) — при охлаждении бурый парамагнитный диоксид азота образует диамагнитный димер, поэтому окраска ослабевает.
- \(\ce{B2H6 + 6H2O -> 2H3BO3 + 6H2 ^}\) — все шесть атомов водорода диборана несут частичный отрицательный заряд (это гидридный водород), поэтому при реакции каждый из них соединяется с протоном воды, образуя молекулу \(\ce{H2}\).
- \(\ce{Al2Cl6 <=>[t] 2AlCl3}\) — при нагревании димер распадается; при полной диссоциации относительная плотность пара уменьшается вдвое.
- \(\ce{Hg2Cl2 ->[h\nu] HgCl2 + Hg}\) — на свету каломель темнеет вследствие образования металлической ртути; реакция согласуется со строением каломели, в котором имеется связь Hg–Hg.
auto_awesomeДиборан и трёхцентровые связи
У молекулы \(\ce{B2H6}\) всего 12 валентных электронов. Этого недостаточно, чтобы изобразить восемь связей обычными двухэлектронными связями по Льюису. Строение диборана установили электронографией в 1951 году: четыре концевых атома водорода образуют обычные связи с бором, а два мостиковых входят в изогнутые трёхцентровые двухэлектронные связи B–H–B. Такие связи называют также «банановыми». За теорию электронодефицитных связей Уильям Липскомб получил Нобелевскую премию в 1976 году.
boltПорядок разбора незнакомой частицы
- Подсчитайте валентные электроны частицы.
- Постройте структуру Льюиса — схему связей и неподелённых электронных пар. Проверьте формальные заряды, то есть условные заряды атомов в этой схеме.
- Определите форму частицы с помощью модели отталкивания электронных пар: учитывайте число связей и неподелённых пар вокруг центрального атома.
- Проверьте, есть ли неспаренные электроны. При нечётном общем числе электронов они обязательно есть.
- Сравните предсказания модели с полярностью, магнитными свойствами и длинами связей. Если данные ей противоречат, рассмотрите делокализацию электронов, метод молекулярных орбиталей (МО) или мостиковые связи.
Практикум: близкие формулы — разные вещества
В олимпиадных задачах нередко сравнивают вещества с похожими формулами, но разными свойствами. Чтобы объяснить различие, нужно установить, как связаны атомы и как устроены сами частицы или кристалл.
| Пара | Чем различаются | Причина |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\) / \(\ce{SiO2}\) | Диоксид углерода является газом, а диоксид кремния образует тугоплавкий кристалл. | В отличие от углерода, кремний не образует столь прочных π-связей Si=O; атомы кремния входят в пространственный каркас. |
| \(\ce{BF3}\) / \(\ce{NF3}\) | Первая молекула плоская и неполярная, вторая — пирамидальная и полярная. | У атома бора нет неподелённой пары, а у атома азота она есть. |
| \(\ce{CO2}\) / \(\ce{SO2}\) | Первая молекула неполярная, вторая — полярная. | Молекула \(\ce{SO2}\) имеет угловую форму из-за неподелённой пары на атоме серы. |
| \(\ce{H2O}\) / \(\ce{H2S}\) | При обычных условиях вода является жидкостью, а сероводород — газом. | Между молекулами воды образуются водородные связи. |
| \(\ce{PCl3}\) / \(\ce{PCl5}\) | Молекула первого вещества имеет форму пирамиды, второго — тригональной бипирамиды; в кристалле второго вещества присутствуют ионы. | В молекулах различается число электронных областей вокруг атома фосфора. |
| \(\ce{NH3}\) / \(\ce{PH3}\) | Углы между связями составляют 107° и 93,5° соответственно; аммиак является более сильным основанием, чем фосфин. | У фосфора неподелённая пара занимает s-подобную орбиталь и менее доступна для образования связи. |
Различия в строении проявляются и в реакциях. Однако, объясняя реакционную способность, нельзя ограничиваться одной лишь формой или полярностью молекулы: необходимо учитывать, какое химическое превращение происходит.
scienceРазличия, проявляющиеся в реакциях
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — аммиак принимает протон; фосфин проявляет основные свойства слабее и образует соль \(\ce{PH4I}\) при реакции с иодоводородной кислотой: \(\ce{PH3 + HI -> PH4I}\).
- \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S v + 2H2O}\) — диоксид серы является окислителем и восстанавливается до серы; \(\ce{CO2}\) с сероводородом так не реагирует.
- \(\ce{BF3 + NH3 -> F3B-NH3}\) — атом бора принимает электронную пару аммиака, поэтому \(\ce{BF3}\) является кислотой Льюиса; \(\ce{NF3}\) электронную пару не отдаёт и почти не проявляет основных свойств.
- \(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — фтороводород реагирует с каркасом кремнезёма; эту реакцию используют при травлении стекла.
errorГраницы применимости модели
Если предсказания модели противоречат наблюдениям, её необходимо пересмотреть. Структура Льюиса с парными электронами не объясняет парамагнетизм \(\ce{O2}\), для которого нужен метод МО. Строение \(\ce{B2H6}\) нельзя описать только обычными двухэлектронными связями и правилом октета: его объясняют трёхцентровые связи.
push_pinГлавное
Дипольный момент помогает проверить предположение о форме молекулы, парамагнетизм указывает на неспаренные электроны, а длины связей и число возможных изомеров помогают уточнить распределение электронов и расположение атомов. Близость формул не означает сходства свойств: \(\ce{CO2}\) и \(\ce{SiO2}\), \(\ce{NO2}\) и \(\ce{N2O4}\), \(\ce{BH3}\) и \(\ce{B2H6}\) различаются строением. Поэтому предложенную модель — структуру Льюиса, модель отталкивания электронных пар или метод МО — проверяют по совокупности химических и физических данных.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.