Гибридизация и симметрия молекул

Книга всесторонне и доходчиво, а самое главное методологически правильно знакомит с теорией химической связи и результатами ее применения к описанию строения и свойств соединений различных классов. Сначала изложены доквантовые идеи Дж. Льюиса о валентных (льюис овых) структурах и показано, что уже на основе представлений об обобществлении электронных пар и простого правила октета при помощи логических рассуждений о кратности связей и формальных зарядах на атомах удается без сложных математических выкладок, как говорится на пальцах , объяснить строение и свойства многих молекул. По существу, с этого начинается ознакомление с пронизывающими всю современную химию воззрениями и терминами одного из двух основных подходов в квантовой теории химического строения-метода валентных связей (ВС). К сожалению, несмотря на простоту и интуитивную привлекательность этих представлений, метод ВС очень сложен в вычислительном отношении и не позволяет на качественном уровне решать вопрос об энергетике электронных состояний молекул, без чего нельзя судить о их строении. Поэтому далее квантовая теория химической связи излагается, в основном, в рамках другого подхода-метода молекулярных орбиталей (МО). На примере двухатомных молекул вводятся важнейшие представления теории МО об орбитальном перекрывании и энергетических уровнях МО, их связывающем характере и узловых свойствах, а также о симметрии МО. Все это завершается построением обобщенных диаграмм МО для гомоядерных и гете-роядерных двухатомных молекул и обсуждением с их помощью строения и свойств многих конкретных систем попутно выясняется, что некоторые свойства молекул (например, магнитные) удается объяснить только на основе квантовой теории МО. Далее теория МО применяется к многоатомным молекулам, причем в одних случаях это делается в терминах локализованных МО (сходных с представлениями о направленных связях метода ВС) и для их конструирования вводится гибридизация атомных орбиталей, а в других-приходится обращаться к делокализованным МО. Обсуждение всех этих вопросов завершается интересно написанным разделом о возможностях молекулярной спектроскопии при установленни строения соединений здесь поясняются принципы колебательной спектро- [c.6]

Амплитуда колебаний атомных ядер во много раз (пропорцжо-нально квадратному корню из отнощения масс) меньше, чем электронов. Поэтому атомные ядра, принадлежащие данной молекуле, вместе со всеми своими электронами, кроме валентных (т. е. атомные остовы), связанные направленными межатомными связями, представляют собой довольно резко локализованный остов молекулы. Понятно, что форма молекулы зависит от строения остова, которое в свою очередь определяется характером межатомных связей, их направлением. Но, как мы знаем, направление межатомных связей задается той или иной комбинацией атомных орбита-лей, т. е. пространственной конфигурацией соответствующих электронных волновых функций, связанной с симметрией поля сил между атомным ядром и электронами, Так, в результате коаксиальной -гибридизации трехатомные молекулы галогенидов элементов И группы в газообразном состоянии имеют остов линейной формы. Четырехатомные молекулы, например ВРз, благодаря 5р2-гибридизации приобретают остов, в котором все соединяющие атомные остовы три связи располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Тетраэдрическое строение остова пятиатомных молекул типа СН4 и ССЦ обусловлено р -гибридизацией к такой же конфигурации остова молекул приводит х -гибриди-зация.. Существуют также октаэдрическая ( р -гибридизация, плоская квадратная 5/7 -гибридизация, тригональная бипирами-дальная ( 5,о -гибридизация, каадратная пирамидальная 5р -гиб-ридизация и др. [c.84]

Появление определенной симметрии в молекулах было уже объяснено (разд. 6.3.2) на основе метода валентных связей при образовании ковалентной связи (гибридизация). Однако как чисто электростатические, так и геометрические соотношения могут привести к определенной симметрии в координационных соединениях, если исходить из ионной модели строения молекулы. Рассмотрим, например, координационный полиэдр А +Вр, в котором центральный ион с зарядом - п окружен р однозарядными лигандами. Потенциальная энергия комплекса складывается из отдельных членов, учитывающих кулоновское взаимодействие ионных пар. Сумма отрицательных (связывающих) членов тем больше, чем меньше расстояние между ионом и лигандом. Минимальное расстояние между ионом и лигандом равно гп+г (гп —радиус центрального иона, г —радиус лиганда). Для октаэдрического комплекса с симметрией Ол [c.121]

Концепция гибридизации получила широкое распространение главным образом прн обсуждении сте-реохимических проблем. Однако не следует дум-ать, что именно характер гибридизации электронных облаков определяет геометрию молекулы. В действительности дело обстоит как раз наоборот — исходным моментом при определении типа гибридизации является известная пространственная симметрия молекулы, Когда же от данной молекулы (например, СН4) переходят к другим, гомологичным соединениям (скажем, насыщенным углеводородам) и утверждают, что вследствие яр -гибридизации электронных облаков атомов углерода его соседи должны находиться в тетраэдрических или близких к ним углах, то создается иллюзия, будто причиной такой геометрической структуры углеводородов является вр -гибридизация. На самом же деле в основе подобных рассуждений лежит предположение (очень часто оправдывающееся экспериментально) о сходстве геометрической структуры рассматриваемых молекул. [c.208]

При р2-гибридизации электронные облака располагаются в одной плоскости под углами 120° друг относительно друга. Из экспериментальных данных действительно следует, что молекула этилена имеет плоское строение (рис. 47). Химическая связь, для которой линия, соединяющая атомные ядра, является осью симметрии связывающего электронного облака, называется а-связью. а-Связь возникает при лобовом перекрывании атомных орбиталей. В молекуле этилена каждый атом углерода образует по три а-связи одну друг с другом, а две — с двумя атомами водорода. Имеющиеся у атомов углерода негибридные орбитали образуют одну так называемую я-связь. Химическая связь, для которой связывающее электронное облако имеет только плоскость симметрии, проходя- [c.110]

Квантовый расчет, показывающий, что орбитали с различной симметрией в свободном атоме при образовании химической связи принимают одинаковую форму, называется гибридизацией атомных орбиталей. Часто термином гибридизация обозначают расположение электронных облаков в молекуле, соответствующее данному приближенному расчету. Волновая функция гибридной орбитали составляется из волновых функций валентных электронов, умноженных на некоторые коэ( ициенты. Так, волновые [c.91]

Выше мы изложили традиционные квантовохимические представления о гибридизации атомных орбиталей на традиционных примерах (СО2, НС СН, Н2С==СН2, СН4, ВРз и т. д.). Однако эти представления, которые по праву можно назвать классическими, в ряде случаев оказываются неприменимыми. Одним из таких случаев является молекула 1,б-дикарба-/сло-зо-гексаборана (рис. 36), где четырех валентных АО углерода недостаточно для построения пяти ортогональных ГАО. Однако при отказе от требования ортогональности, как было показано С. Г. Семеновым, удается построить линейно-зависимый набор неорто-гональных ЛМО, преобразующихся друг в друга при операциях симметрии Оц1- Эти 15 ЛМО (6 двухцентровых, локализованных на связях СН и ВН 8 трехцентровых, локализованных на связях СВг и одна четырехцентровая, тождественная канонической 1 2г-М0, охватывающей атомы бора) с электронными заселенностями 2, не могут быть переведены унитарным преобразованием в исходные 13 канонических МО (сравни с рассмотренным выше случаем молекулы метана). [c.216]

В доказательство того, что гибридизация АО является следствием определенной симметрии пространственной структуры молекулы, отвечающей минимуму энергии, а не ее причиной, приведем такой пример. Оказывается, что тетраэдрическая конфигурация молекулы метана для движения электронов является невыгодной по сравнению с другими возможными для нее геометрическими структурами. Но только для тетраэдрической конфигурации достигается минимум энергии суммарного отталкивания ядер молекулы друг от друга. Поэтому [c.137]

И С(5р ) — С1 — В другом. Аналогично должно существовать различие в моментах связей С зр ) — Ни С(5/ ) — Н. В предвоенные годы этим различиям не уделялось достаточного внимания. Основные усилия были направлены на поиск алифатических соединений, подходящих для сравнения, поляризационный момент которых был бы равен поляризационному моменту ароматического соединения [25], а различия в гибридизации просто не учитывались [16]. Из-за симметрии молекулы хлорбензола моменты четырех связей С — Н взаимно компенсируются. Результирующий [c.175]

С увеличением ионности связи электронное окружение приобретает сферическую симметрию (где = 0) и величина e Qq g уменьшается. Как показывает уравнение (14.22), гибридизация р-орбитали с 5-орбиталью приводит также к уменьшению e Qq . Смешивание 5-орбитали с р-орбиталью снижает градиент поля, поскольку х-орбиталь сферически симметрична. В ковалентной молекуле увеличение градиента поля вызвано вкладом /-орбиталей в связывание. [c.272]

Существует несомненная связь между определенной геометрической формой молекул и типом орбиталей центрального атома. Наиболее часто встречающиеся формы частиц и соответствующие им типы гибридизации показаны на рис. 6.15 здесь же указаны точечные группы симметрии молекул. [c.158]

Гибридизация и симметрия молекул.............. [c.5]

Гибридизация и симметрия молекул [c.173]

Тетрафторид свинца является сильным окислителем в связи с малой устойчивостью характеристической валентности для свинца, в особенности при координировании четырех атомов. Все же он значительно устойчивее других тетрагалогенидов свинца. Молекулы тетрафторидов углерода, кремния и германия имеют форму правильных тетраэдров, что соответствует гибридизации зр электронов в связи с высокой симметрией молекул они ведут себя как неполярные. [c.287]

Вопрос о том, какая гибридизация возникает при введении атома в ту или иную молекулу или кристалл, решается таким же путем, какой мы продемонстрировали, рассматривая зр2-гибридизацию. Если предполагается, что данное вещество может иметь несколько структур, то вопрос о том, какова она, решается лишь при расчете энергии состояния системы. При этом следует учитывать, что в вырожденном электронном состоянии конфигурация нелинейной молекулярной системы изменяется так, что вырождение оказывается снятым (теорема Яна—Теллера). Теорема Яна—Теллера помогает понять связь некоторых свойств молекул и кристаллов с их симметрией. Так, например, ионы переходных металлов, орбитальное состояние которых является вырожденным вследствие их симметрии, в октаэдрических полях образуют комплексы не с октаэдрической, а с более низкой симметрией, например тетрагональной. Вследствие снятия вырождения у иона в кристалле его энергия уменьшается, что обеспечивает комплексу большую устойчивость. [c.92]

В качестве второго примера применения метода МО обсудим в общих чертах молекулу СН4, которая уже упоминалась в связи с изучением метода валентных связей, где с привлечением понятия гибридизация для нее получена тетраэдрическая структура. Четыре атомные 1з-орбитали 1 л, -фг, 1 3з, и я )4 четырех атомов водорода можно комбинировать различными способами (табл. А.11). Если атомы водорода расположены по углам тетраэдра, то полученные четыре комбинации (рис. А.41) имеют такую же симметрию, как и четыре атомных состояния , р , Ру, Рг центрального атома углерода. Поэтому при линейной комбинации этих четырех волновых функций углерода с волновыми функциями четырех атомов водорода получается очень хорошее перекрыва- [c.98]

В свободном атоме или ионе комплексообразователя энергии всех ( -электронов, принадлежащих к одной и той же электронной оболочке, одинаковы, т. е. эти электроны занимают один энергетический уровень. В комплексе положительный ион-кэмплексообразователь окружен лигандами, которые могут быть или отрицательными ионами, или полярными молекулами, которые обращены к комплексообразователю своим отрицательным концом. Между электронами /-орбиталей иона-комплексообразователя и отрицательными лигандами действуют силы отталкивания, которые увеличивают энергию /-электронов. При этом электростатическое воздействие лигандов на различные /-орбитали неодинаково, так как поле лигандов не обладает сферической симметрией. Поэтому энергия электронов на /-орбиталях, расположенных близко к лигандам, возрастает больше, а на /-орбиталях, удаленных от лигандов, меньше в результате под Таблица 1.13. Ти/1ы гибридизации и соответствующие им геометрические формы комплексов [c.130]

Рентгеноструктурные исследования п-аллильных комплексов переходных металлов [63] свидетельствуют об зр -гибридизации углеродных атомов. Так, п-аллилпалладийхлорид — это димерная молекула, имеющая плоскость симметрии. Каждый атом палладия связан с одной аллильной группой, в которой связи С—С идентичны и угол С—С—С равен 128,5°, что свидетельствует также о том, что эта группа действует как бидентатный лиганд. Плоскость, проходящая через три атома углерода аллильной группы, пересекает плоскость, в которой лежат атомы палладия и хлора (Pd l)2, под углом около 110°. Атомы водорода приблизительно копла-нарны атомам углерода. [c.108]

Наиболее типичными электрическими моментами для характеристики ионной связи обладают соединения лития и калия, так как в этих соединениях влияние симметрии и завершенности строения орбиталей не проявляется. Гибридизация орбиталей у атомов Ве и А1 приводит к симметричным линейным и плоским молекулам, для [c.83]

Но когда центральный атом содержит два валентных электрона, один из которых находится на з-орбитали со сферической симметрией, а другой — на гантелеобразной р-орбитали, возникают сложности. Если считать, что орбитали сохраняют свою направленность, то в молекуле ВеГз, например, атомы фтора должны быть неравноценны по энергии и длине связи, а опыт свидетельствует о полной симметрии молекулы с углом связи 180°. Во всех соединениях предельных углеводородов и их производных атом углерода всегда находится в центре тетраэдра с углами между связями, равными 109°28, хотя в атоме углерода есть один а-электрон и три р-электрона. Целый ряд подобных экспериментальных фактов привел, с одной стороны, к правилам Джиллеспи для объяснения и предсказания валентных углов (см. раздел 6.2.2), а с другой, к понятию о гибридизации электронных облаков. [c.236]

Число максимумов и >ганимумов, или кратность потенц. барьера, зависит от типа гибридизации атомных орбиталей на оси В. в. Так, в случае связи sp — барьер будет двукратным. Чем выше порядок связи, тем выше величина Ув. При понижении симметрии молекул, напр, при замене нек-рых атомов водорода др. атомами или группами, В. в. может приводить к появлению поворотной изомерии. При наличии в молекуле неск. осей вращения кол-во возможных конформаций увеличивается. Параметры ф-ции У(ф) зависят от характма среды и электронного состояния молекулы. Наличие В. в. молекул влияет на термодинамич. и хим. св-ва веществ. В. в. молекул возможно в газовой, жидкой и иногда а твердой фазах. [c.103]

После рассмотрения энергетики некоторых предельных углеводородов мы убеждаемся в том, насколько осложняется дело при образовании молекул из нескольких атомов. Принимая во внимание взаимные влияния атомов, несоседних друг другу и между собой непосредственно не связанных, а также учитывая роль энергии возбуждения валентностей и деформации симметрии молекулы, зависящих от тонкостей в явлениях гибридизации, мы начинаем понимать, насколько наивны все попытки приписать отдельным связям определенные энергии и слагать аддитивно из них общую молекулярную энергию. Вместе с тем мы убеждаемся в мощи современной науки и видим далекие пер спективы дальнейшего прогресса в постижении еще не раскрытых деталей природы молекул. [c.257]

Концепция гибридизации получила широкое распространение главным образом при обсуждении стереохимических проблем. Однако не следует думать, что именно характер гибридизации электронных облаков определяет геометрию молекулы. В действительности дело обстоит как раз наоборот-исходкыл моментом при определении типа гибридизации является известная пространственная симметрия молекулы. Когда же от данной молекулы (например, СН4) переходят к другим, гомологичным соединениям (скажем, насыщенным углеводородам) и утверждают, что вследствие 5р -гибридизации электронных облаков атомов углерода его [c.221]

Определенная симметрия молекул ранее уже объяснялась образованием ковалентных связей в рамках метода электронных пар (гибридизация, см. разд. 6.3.2). Однако к определению симметрии координационной системы можно также прийти и из чисто электростатических и геометрических представлений, если исходить из чисто ионной модели. Рассмотрим, например, координационный полиэдр общей формулы в котором центральный ион с зарядом n-j- окружен р однозарядными ионами в качестве лигандов. Потенциальная энергия и такого комплекса состоит из отдельных членов, соответствующих кулоновскнм взаимодействиям отдельных ионных пар. Вклад отрицательного (связывающего) члена тем больше, чем меньше расстояние между лигандом и центральным ионом. Оно составляет по меньшей мере Гп — радиус центрального иона и г — радиус лиганда). Для октаэдрического комплекса с симметрией Oft расчет дает [c.150]

В работе [511 результаты ЯКР были рассмотрены без привлечения sp-гибридных орбиталей иода. На самом деле гибридизация, очевидно, имеет место, так как только в этом случае можно получить прямую линию (рис. 7.16) другими словами, экспериментально наблюдается практически одинаковый перенос электронного заряда на связь в случае обоих хлориодидных ионов. Такое описание может быть проведено методом делокализованных молекулярных орбиталей, хотя в силу разной симметрии молекул необходимо применение элементов локализованного описания. Поскольку значение для 1о лежит на той же прямой, появляется необходимость постулировать аналогичную гибридизацию в этой молекуле, а это, по-видимому, маловероятно. Таким образом, все данные говорят за то, что наиболее приемлемо описание с помощью делокализованных орбиталей, в которые s-орбитали иода дают небольшой вклад или же последний полностью отсутствует. [c.325]

Примером гетеронуклеарных двухатомных молекул с ядрами, сильно отличающимися по величине эффективного заряда, могут служить молекулы гидридов. Рассмотрим молекулу HF. Электронные конфигурации атомов H[ls], F[l5 2i 2p ]. Потенциалы ионизации ПИ (Н) = = 13,599 эВи ПИ (F) = 17,423 эВ близки, вследствие чего молекулярная ст-орбиталь может быть представлена как линейная комбинация li-орбитали атома водорода и 2р,-орбитали атома фтора, имеющих одинаковые свойства симметрга относительно оси молекулы. Одноэлектронные энергии орбиталей 2i и Ь атома фтора, согласно Слейтеру, равны 40 и 700 эВ соответственно. Поэтому, пренебрегая небольшой гибридизацией за счет 25-орбт али, можно считать, что все электроны фтора, кроме 2р , сохраняют свой атомный характер Is- и 25 Орбитали не комбинируют с li-орбиталью атома Н вследствие большого отличия от нее по энергии, а 2р,- и 2 ,-А0 вследствие отличия от нее по симметрии относительно оси молекулы. Основной вклад в химическую связь в молекуле HF вносит пара электронов на ст-связывающей молекулярной орбитали. Состояние электронов на этой орбитали в приближении МО JII AO описывается волновой функцией [c.131]

Идея о гибридизации орбиталей связана с выводом о том, что гибридизованные орбитали имеют строго определенное направление в пространстве, отличное от направлений исходных орбиталей. Тетраэдрическая симметрия атома углерода хорошо объясняется с этой точки зрения. Поэтому геометрия молекулы должна зависеть от геометрии гибридных орбиталей составляющих ее атомов. Если в атомах имеются несвязывающие электроны, их размещают на негибридизованных орбиталях, так как гибридизация осуществляется именно в процессе соединения, т. е. во время образования химических связей. [c.135]

Электрические дипольные моменты. Для вычисления дипольного момента надо, согласно Малликену [8], рассчитать заряды на атомах из распределения связывающей электронной плотности в молекуле. Тогда Однако не всегда получаютсяхорошие результаты, так как часто надо еще учесть нарушение локальной симметрии в результате гибридизации молекулярных несвязывающих орбиталей Для ионных молекул (Li l, LiF и др.)> обладающих большими дипольными моментами, погрешность в расчет тах дшюльньтх моментов в хартри-фоковском пределе невелика (- О.З—0,7 10 ° Кл-м), но для ковалентных,таких, как.СО, SiO, она может достигать и 1,5 10 ° Кл-м, т. е.- сравнима с величиной дипольного момента. [c.159]

Такие структуры имеются в воде, каждая молекула которой обладает двумя атомами И и двумя неподеленными электронными парами от атома кислорода О. Молекулы Н2О объединяются в ажурные тетраэдрические структуры. В вершинах тетраэдров находятся атомы О, от которых под,углами, близкими к 109° (вследстйие хр -гибридизации четырех орбиталей кислорода), расходятся четыре связи — две атомные и две водородные. Атомы кислорода, лежаш,ие в одной плоскости, образуют вершины не квадратов, а правильных шестиугольников, располагающихся слоями и определяющих гексагональную симметрию (см. гл. IV, 5) кристаллического льда. Такое расположение молекул, приводящее к образованию многочисленных пустот, объясняет меньшую плотность льда по сравнению с жидкой водой, в которой около 15% молекул воды уходят из узлов кристаллической решетки и заполняют-ее полости. Однако и в жидком состоянии вода сохраняет, в основном, структуру льда. [c.95]

Единая система из 30 валентных электронов бензола приближенно подразделяется по симметрии на систему а- и л-электронов. Плоский скелет молекулы рассматривается как образованный локализованными двухцентровыми ст-связями С—и С—Н. Каждый атом С участвует тремя электронами в двух С—С и одной С—Н связях в состоянии 5/7 -гибридизации, на что указывает плоскостное расположение ядер и углы в 120° между связями. У каждого из шести атомов С имеется еще по одному -электрону. Оси -орбиталей перпендикулярны плоскости кольца. Так как данная д -орбиталь с одинаковой вероятностью комбинирует с обеими р -орбиталями двух соседних С-атомов, здесь невозможно описание связи через локализованные двухцентровые л-орбитали,. и единственная возможность — это рассмотреть шестицентровые л-ор-битали, образуемые комбинацией всех шести д -орбиталей атомов углерода и охватывающие одновременно все шесть углеродных атомов. [c.227]

Вопрос о возможном наличии эквивалентных орбиталей у атома, имеющего в основном состоянии электроны на определенных атомных орбиталях, помогает решать теория групп. Мы видели, что у атома с з-, р -, р -, р -орбиталями могут быть четыре эквивалентные орбитали, приводящие к зр -гибриднзации. зр -Гибридизация имеет место в молекуле СН4 с группой симметрии Т . То, что у электронных-облаков атома углерода возможна такая симметрия, можно установить исходя из данных теории групп. [c.88]

Сопряжение возникает и в более длинных цепочках по-лиенов вида С Н а- Предельный случай сопряжения наблюдается в ароматических молекулах, таких как бензол. Молекула бензола плоская и имеет симметрию правильного шестиугольника, так что все ее связи между атомами углерода по кольцу одинаковы. С точки зрения зр -гибридизации, в такой молекуле я-электрон данного атома углерода одинаково взаимодействует с обоими соседними атомами, так что все шесть связей равноценны. [c.96]

Если в состав молекулы входит несколько атомов, то их пространственное расположение определяется направленностью химических связей, которая зависит от ориентации атомных орбиталей в стабильном или возбужденном атоме (гибридизация), вступающем в реакцию. В результате взаимодействия атомов могут образоваться Молекулы не только линейные, но и плоские или пространственные. Простейшие случаи образования молекул различной конфигурации рассмотрим на примере образования соединения с водородом элементов II периода системы Д. И. Менделеева, допуская для упрощения, что различие в электроотрицательности не влияет на форму и симметрию орбиталей, а также не учитывая частных свойств гидридов бора (димер В2Н6) и бериллия [(BeH2)Jt]. В табл. 3.3 приведены структуры молекул водородных соединений элементов 2-го периода и их геометрическая характеристика. [c.78]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология