§ 11.5. ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА НЕКОТОРЫХ МОЛЕКУЛ

Рассмотрим, используя метол возникновение связей в некоторых гомоядерных молекулах, образуемых первыми 10 элементами периодической системы. Образование молекулы двух атомов водорода, каждый которых имеет по одному 1s-электрону, отражает следующая запись:

Два электрона в молекуле занимают одну связывающую молекулярную орбиталь, образующуюся из 1s-атомных орбиталей. Наличие двух электронов на одной молекулярной орбитали отражено в записи верхним индексом. Молекула стабильна, так как оба ее электрона занимают только связывающую -орбиталь, энергия которой меньше энергии орбиталей

отдельных атомов, порядок связи равен 1. При взаимодействии двух атомов гелия, каждый которых содержит по два -электрона, на должны разместиться четыре электрона. На основании принципа Паули на связывающей орбитали может разместиться только два электрона, поэтому два других электрона в молекуле должны разместиться на энергия которой больше энергии По уравнению (11.4) можно легко подсчитать, что порядок связи равен нулю, т. е. химическая связь не возникает и молекула не может быть устойчивой. Согласно методу достаточно устойчивыми являются молекулярные ноны и Не? Образование частицы из атома водорода Н, в котором имеется? один -электрон, и иона водорода не содержащего электронов, может быть представлено записью

Эта запись показывает, что из образуется одна связывающая порядок связи равен

Молекулярный ион Н обнаружен экспериментально. Длина связи у этого нона 0,106 нм, а энергия связи Увеличение длины связи и уменьшение энергии связи у частицы по сравнению с длиной (0,074 нм) и энергией связи молекулы обусловлено уменьшением порядка связи с 1 до Рассмотрим образование частицы Не? из атома гелия, содержащего два -электрона, и нона гелия, содержащего один -электрон:

При этом на надо разместить три электрона, два которых заполняют связывающую а третий разместится на разрыхляющей (в соответствии с рядом уровней энергии Таким образом, частица будет иметь электронное строение:

Порядок связи у молекулярного нона равен и он может быть достаточно устойчив. Экспериментально доказано существование этого нона.

Рассмотрим заполнение на примере кислорода, молекула которого образуется из атомов, содержащих по два -электрона, по два -электрона и по четыре -электрона. Электронная конфигурация Атомные орбитали первого энергетического уровня образуют создавая остов молекулы. Эти заполненные обозначают буквой К.

-Электроны второго энергетического уровня перейдут с на с образованием одной -связывающей и одной -разрыхляющей орбиталей, р-Электроны второго энергетического уровня (в соответствии с порядком возрастания энергии связи) перейдут с трех на с образованием одной -связывающей на которой размещаются два электрона с образованием двух -связывающнх на которых размещаются четыре электрона с и образованием двух

-разрыхляющих орбиталей, на которых в соответствии с правилом Хунда размещаются по одному электрону (рис. 11.18). Соответственно в молекуле оказываются два неспаренных электрона, что обусловливает ее парамагнитные свойства. Образование химической связи в молекуле кислорода записывается следующим образом:

В целом порядок связи в молекуле кислорода равен двум, т. е. на шесть электронов, располагающихся на связывающих и -орбиталях, приходится два электрона, располагающихся на разрыхляющих и -орбнталях. Поэтому из уравнения (11.4) следует, что порядок связи равен 2.

Сравнение структуры молекул, установленных методом (табл. 11.2) и методом (табл. 11.5), показывает, что число связей, приходящихся на одну молекулу, в обоих случаях одинаково. Так, в молекулах имеется только одна химическая связь, в молекулах — две связи, в молекуле — три связи. Однако согласно методу в молекуле имеется два неспаренных электрона (один электрон и один электрон которые располагаются на . В молекуле также имеется два неспаренных электрона, которые располагаются на -молекулярных орбиталях. Именно наличием этих неспаренных электронов объясняются парамагнитные свойства молекул Метод позволяет объяснить упрочнение связи при образовании некоторых ионов. Например, при образовании молекулярного иона О из молекулы длина связи уменьшается от

Рис. 11.18. Энергетическая схема и в системе из двух атомов кислорода

0,121 до 0,112 нм, а энергия связи увеличивается от 494 до Упрочнение связи обусловлено удалением электрона с разрыхляющей -орбитали и соответственно увеличением порядка связи с 2 до 2,5. Энергия связи в молекулярном ноне значительно больше энергии связи в молекуле Возрастание энергии связи объясняется удалением электрона с разрыхляющей -орбитали, что увеличивает порядок связи с 1 до 1,5.

Данные об энергии связи в молекулярных нонах являются ярким подтверждением справедливости метода . Метод позволяет рассмотреть и строение гетероядерных двух- и многоатомных молекул. Например, образование молекулы можно представить схемой

Как и для молекулы азота, на внешнего энергетического уровня молекулы находятся 10 электронов, в том числе 8 электронов на связывающих и 2 электрона на разрыхляющих Порядок связи в молекуле как и в молекуле равен 3. Это обусловливает сходство в свойствах азота и оксида углерода: длина связи 0,110 и 0,113 нм, энергия связи 940 и температура плавления 63 и 66 К соответственно.

Таблица II.5. Электронные конфигурации и параметры связи гомоядерных двухатомных молекул и ионов согласно методу МО

Таким образом, с помощью метода молекулярных орбиталей успешно объясняют свойства различных молекул. Этот метод важен тем, что позволяет получить данные о свойствах молекул исходя из соответствующих характеристик атомов. Метод МО не исключает метода валентных связей, оба метода взаимно дополняют друг друга. В целом оба метода (и ВС, и МО) служат квантово-механическим обоснованием и дальнейшим развитием теории химического строения А. М. Бутлерова.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

(см. скан)

(см. скан)