Строение по химическим и физическим данным
Как данные указывают на строение
Строение молекул редко видят напрямую — его выводят из косвенных данных. Каждое измерение отвечает на свой вопрос.
| Данные | Что говорят | Пример |
|---|---|---|
| дипольный момент | симметричная или нет | \(\ce{XeF2}\): \(\mu = 0\) — линейна; \(\ce{SF4}\): \(\mu \ne 0\) — «качели» |
| магнетизм | есть ли неспаренные электроны | \(\ce{NO2}\) парамагнитен (радикал), \(\ce{N2O4}\) — нет |
| длина связи | порядок связи | в \(\ce{NO3-}\) все три N–O по 124 пм — делокализация |
| число изомеров | геометрия | у \(\ce{PF3Cl2}\) один изомер — хлор в экваторе бипирамиды |
| продукты реакций | какие связи есть | \(\ce{B2H6}\) с водой даёт 6 \(\ce{H2}\) на молекулу |
scienceСтроение, открытое через реакции
- \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\) — бурый парамагнитный газ при охлаждении обесцвечивается: радикалы объединяются в диамагнитный димер.
- \(\ce{B2H6 + 6H2O -> 2H3BO3 + 6H2 ^}\) — все шесть атомов водорода диборана «гидридные»: каждый даёт молекулу водорода с протоном воды.
- \(\ce{Al2Cl6 <=>[t] 2AlCl3}\) — при нагревании пара димер распадается, плотность пара уменьшается вдвое.
- \(\ce{Hg2Cl2 ->[h\nu] HgCl2 + Hg}\) — каломель на свету темнеет: в ней уже есть связь Hg–Hg.
auto_awesomeДиборан и «банановые» связи
В диборане \(\ce{B2H6}\) всего 12 валентных электронов — на восемь связей по Льюису их не хватает. Строение установили электронографией в 1951 году: четыре концевых атома водорода связаны с бором обычными связями, а два мостиковых водорода держатся трёхцентровыми двухэлектронными связями B–H–B, изогнутыми, как банан. За теорию таких «электронодефицитных» связей Уильям Липскомб получил Нобелевскую премию в 1976 году.
boltСхема разбора незнакомой частицы
- Посчитайте валентные электроны. 2. Нарисуйте структуру Льюиса, проверьте формальные заряды. 3. По числу электронных областей найдите форму. 4. Проверьте, есть ли неспаренные электроны (нечётное число — точно есть). 5. Сравните с данными: полярность, магнетизм, длины связей. Противоречие — сигнал, что нужна другая модель (резонанс, МО, мостиковые связи).
Практикум: близкие формулы — разные вещества
Олимпиадные задачи любят пары веществ с похожими формулами и непохожими свойствами. Объяснение почти всегда даёт строение.
| Пара | Чем различаются | Причина |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\) / \(\ce{SiO2}\) | газ / тугоплавкий кристалл | π-связи Si=O слабы, кремний образует каркас |
| \(\ce{BF3}\) / \(\ce{NF3}\) | плоский неполярный / пирамидальный полярный | у бора нет неподелённой пары, у азота есть |
| \(\ce{CO2}\) / \(\ce{SO2}\) | неполярный / полярный | \(\ce{SO2}\) угловая из-за пары на сере |
| \(\ce{H2O}\) / \(\ce{H2S}\) | жидкость / газ | водородные связи |
| \(\ce{PCl3}\) / \(\ce{PCl5}\) | пирамида / бипирамида (в кристалле — ионы) | разное число областей |
| \(\ce{NH3}\) / \(\ce{PH3}\) | угол 107° / 93,5°, основание сильное / слабое | у фосфора пара на s-подобной орбитали, менее доступна |
scienceРазличия, видные в реакциях
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — аммиак охотно принимает протон; фосфин даёт соль \(\ce{PH4I}\) лишь с сильнейшей иодоводородной кислотой: \(\ce{PH3 + HI -> PH4I}\).
- \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S v + 2H2O}\) — полярный угловой \(\ce{SO2}\) — окислитель; \(\ce{CO2}\) так не реагирует.
- \(\ce{BF3 + NH3 -> F3B-NH3}\) — кислота Льюиса; \(\ce{NF3}\) пару не принимает и почти не проявляет основных свойств.
- \(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — каркас кремнезёма разрушает только фтороводород: так травят стекло.
errorОдна модель — не догма
Если данные противоречат модели, меняйте модель. \(\ce{O2}\) по Льюису диамагнитен — эксперимент говорит обратное, и нужен метод МО. \(\ce{B2H6}\) не укладывается в правило октета — нужны трёхцентровые связи. Химик выбирает модель под задачу, помня её границы.
push_pinГлавное
Физические данные — «следы» строения: нулевой дипольный момент — симметрия, парамагнетизм — неспаренные электроны, длина связи — её порядок, число изомеров — геометрия. Сходные формулы не гарантируют сходных свойств: \(\ce{CO2}\) и \(\ce{SiO2}\), \(\ce{NO2}\) и \(\ce{N2O4}\), \(\ce{BH3}\) и \(\ce{B2H6}\) отличаются строением. Решение: предложить модель (Льюис, модель отталкивания пар, МО) и проверить её предсказания по всем данным.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.