Направленность химических связей

Концепцию гибридизации можно с успехом использовать для определения и предсказания формы молекул, однако в рамках метода ВС существует еще более простой подход — так называемая теория отталкивания электронных пар валентной оболочки. В ее основе лежит исключительно простая идея о том, что при образовании связей электронные пары располагаются так, чтобы отталкивание между ними было минимальным. Реализация этого подхода состоит в следующем.

• 1. Рассматривается многоатомная молекула АВ", в которой центральный атом, А связан с каждым из атомов В, одинаковых или разных, не связанных между собой. Можно распространить этот подход и на циклические и цепные молекулы, последовательно рассматривая их фрагменты типа АВ_п.
• 2. Электроны, окружающие атом А, делятся на связывающие — по числу двухэлсктронных связей с атомами В и на собственные электроны атома А, заселяющие попарно его валентные АО (так называемые неподеленные пары).
• 3. Минимуму отталкивания отвечает такое симметричное расположение всех электронных пар (и связывающих, и неподеленных) вокруг данного ядра, при котором они максимально удалены друг от друга.

Поясним поэтапное применение этого подхода на нескольких простых примерах, начиная с уже известной нам молекулы ВеС1₂

1. Первый этап предельно прост — определение числа валентных электронов атома А. В валентной оболочке атома бериллия два электрона:

Вообще же для 5-элемента их число равно номеру группы, а для р-эле- мента — номеру группы минус 10.

2. Далее определяется число электронных пар, связывающих и неноделенных, окружающих центральный атом. У атома бериллия в хлориде бериллия оба электрона образуют связывающие пары, спариваясь с электронами атомов водорода, — всего две связывающие пары и ни одной неподеленной.

3. На третьем этапе определяется форма молекулы. Для этого все электронные пары надо мысленно расположить симметрично вокруг центрального атома на одинаковом расстоянии от него и на максимальном расстоянии друг от друга. Как говорят, каждой электронной паре надо отвести координационное место. Направления к связывающим парам — это и есть направления химических связей. В молекуле ВеС1₉ две связывающие пары, очевидно, должны расположиться на одной прямой, как это показано на предыдущей схеме, — молекула должна быть линейной.

В общем случае, если у центрального атома нет неподеленных пар, т. е. если число связей равно числу валентных электронов центрального атома, то молекула будет максимально симметричной. Отсюда, например, молекулы тригалогенидов бора должны иметь форму правильного треугольника, метана СН₄ — тетраэдра, пентафторида фосфора PF₅ — тригоналыюй бипирамиды, гексафторида серы SF₆ — октаэдра (см. рис. 3.10).

Если у атома есть одна или несколько неподеленных пар электронов, то им следует мысленно предоставить такие же места у центрального атома, как и связывающим парам. Например, в валентной оболочке молекулы SnCl₂ вокруг атома олова (14-я группа — четыре валентных электрона) по направлению к вершинам равностороннего треугольника располагаются три электронные пары — две связывающие (СП) и одна неподеленная (НП). В результате мы предсказываем нелинейную форму молекулы (см. рис. 3.10).

Действительно, эксперимент показывает, что молекула дихлорида олова нелинейна, валентный угол Cl—Sn—С1 составляет 100°. Это несколько более острый угол, чем тот, который мы бы ожидали, если все электронные пары вокруг атома бора будут расположены в виде равностороннего треугольника (120°). Теория отталкивания электронных пар позволяет несколько уточнить наше предсказание, если учесть определенные различия между связывающими и неподеленными парами: неподеленная пара (НП) — это «личные» электроны центрального атома, а связывающие пары (СП) делокализованы вдоль связи. Поэтому более сжатые электроны неноделенной пары будут сильнее отталкиваться друг от друга и займут больший сектор около центрального атома, чем связывающие электроны. Отсюда следует, что угол между связями в SnCl₂ должен быть меньше 120°, что на самом деле и наблюдается.

В целом очевидно, что отталкивание между разнотипными электронными парами валентной оболочки убывает в последовательности:

Например, для молекулы Н₂0 с четырьмя электронными парами (две СП и две НП) на этом основании мы можем не только определить уголковую структуру, но и предсказать, что угол Н—О—II меньше тетраэдрического угла 109°28' (экспериментальное значение 105°3'). Читатель легко может самостоятельно предсказать структуру других молекул, перечисленных в упражнениях к этому разделу.