Дипольный момент и полярность связей

При образовании химической связи между атомами различных элементов электронная плотность химической связи смещается в сторону более электроотрицательного атома, например, в молекуле HCI в сторону атома хлора. В этом случае электрические центры положительного и отрицательного зарядов в системе не совпадают, т.е. она может быть представлена в виде фигуры произвольной формы, на которой показаны центры этих зарядов ( + - ) – такие частицы называются диполями. Расстояние между этими центрами называется длиной диполя (L), а абсолютную величину зарядов этих центров приято обозначать символом q. Произведение L ∙ q = µ называется дипольным моментом и измеряется в Кл∙м. Химическая связь, обладающая дипольным моментом, называется полярной. Чем больше значение µ, тем выше полярность рассматриваемой связи ( интервал значений µ для различных связей лежит в пределах от 0,3 ∙ 10^-30 до 30 ∙ 10^-30 Кл∙м).

Дипольный момент связи – величина векторная. Направление вектора условно принято изображать стрелкой от (+) к (-). Дипольный момент многоатомной частицы равен векторной сумме всех дипольных моментов химических связей. В соответствии с правилами сложения векторов дипольный момент молекулы будет зависеть от направления осей симметрии связей в пространстве, т.е. геометрией многоатомной частицы (рис.19.8).

Рис. 25.3 Зависимость дипольных моментов молекул BF₃ (а) и Н₂О (б) от их симметрии.

Как видно из рисунка 25.3, моменты связей направлены от атома бора к атомам фтора, которые располагаются в вершинах равностороннего треугольника. Сумма моментов связей в данном случае равно нулю и, следовательно, данная молекула неполярна. В молекуле воды дипольные моменты связей направлены от атомов водорода к атому кислорода под углом 104,5^о, из векторная сумма равна 6,15 ∙ 10^-30 Кл∙м, т.е. данная молекула высокополярна. Как отмечалось в разделе «межмолекулярное взаимодействие» значение дипольного момента молекул предопределяет величину энергии ориентационного и индукционного взаимодействия между ними и оказывает влияние на значение температур плавления и кипения молекулярных веществ. Помимо этого указанная характеристика молекул предопределяет и другие химические и физические свойства указанных веществ: растворимость и способность растворять другие вещества, способность к сорбции, спектральные характеристики и т.д..

Для описания молекул известного состава в рамках МВС необходимо:

1.Познакомиться с электронным строением центрального и периферийных атомов.

2.Определить число σ-связей центрального атома, учитывая, что оно равно его координационному числу.

3. По электронной формуле определить число неподелённых пар центрального атома.

4. Найти число гибридных орбиталей, как сумму числа σ-связей и неподелённых электронных пар.

5.С учётом строения центрального атома и числа необходимых гибридных орбиталей найти тип гибридизации и по нему расположение гибридных орбиталей в пространстве.

6. Определить возможность образования между атомами π-связей, за счёт орбиталей не принимавших участия в гибридизации.

7.Оценить эффективность гибридизации, учитывая значения главных квантовых чисел атомных орбиталей, принимающих участие в образовании гибридных орбиталей.

Используя предложенную схему, рассмотрим строение некоторых молекул.

а) молекула С₂Н₂

Атом водорода, согласно МВС может образовать только одну σ-связь, так как имеет только одну валентную орбиталь. По указанной причине этот атом не может быть центральным. Тогда атом углерода в рассматриваемой молекуле имеет к.ч. = 2. С учётом строения валентного уровня углерода в возбуждённом состоянии (1s²2s¹2p³) и низкого значения главного квантового числа валентных орбиталей можно сделать вывод, что σ-связи в молекуле С₂Н₂ образованы а)за счёт перекрывания sp- гибридных орбиталей атома углерода с 1s орбиталями атомов водорода и б) sp- гибридных орбиталей атома углерода между собой. При этом угол между связями составляет 180^о, т.е. молекула линейна (рис.26.3 а). В гибридизации не принимают участия по две р-орбитали атома углерода, на каждой из которых находится по одному электрону. Эти орбитали будут перекрываться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя две π-связи (рис.26.3 а).