Пример решения 2.1

Для ответа на вопросы задания рассмотрим молекулу CdI₂.

2.1.1. Сначала определяем тип гибридизации центрального атома. Для этого выписываем валентные электроны центрального атома ₄₈Cd.

Затем 5 s электроны переводим в возбужденное состояние.

Таким образом, Cd предоставляет на связь два неспаренных электрона.

Далее выписываем валентные электроны йода.

У йода имеется один неспаренный электрон. Следовательно, согласно Льюису молекула CdI₂ выглядит следующим образом:

Далее изображаем молекулу CdI₂ с использованием представлений о гибридизации орбиталей центрального атома.

Отмечаем, что у Cd имеются две внешние орбитали: s и р. Представим s - и р -орбитали на рис. 2.1.

Рис. 2.1

Таким образом, с одной р -орбиталью йода кадмий связывается с помощью s -орбитали, а с другой – с помощью р -орбитали. Так как связи отличаются по форме и энергии, то такая молекула не будет устойчивой. Для образования устойчивой молекулы в центральном атоме происходит процесс гибридизации валентных орбиталей, который показан на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Гибридизация – процесс, в результате которого происходит перестройка валентных орбиталей центрального атома и образование смешанных гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

Таким образом, при гибридизации s - и p -орбиталей образуются две равноценные sp -гибридные орбитали (s + p = 2 sp). По аналогии: s + p + p = 3 sp ², образуются три равноценные sp ²-гибридные орбитали; s + p + p + p = 4 sp ³, образуются четыре равноценные sp ³-гибридные орбитали.

Гибридные орбитали центрального атома располагаются под определенным углом (валентный угол), чтобы образовалась устойчивая молекула: при гибридизации типа sp валентный угол составляет 180 ^о; sp ² – 120 ^о; sp ³ – 109 ^о. Расположение гибридных орбиталей под определенным углом показано в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип гибридизации:	sp	sp ²	sp ³
Расположение гибридных орбиталей в простран-стве
Теоретический валентный угол	180 ^о	120 ^о	109 ^о

В соответствии с данными табл. 2.1 в молекуле CdI₂ реализуется sp -гибридизация, и валентный угол составляет 180 ^о.

Чтобы изобразить молекулу в целом, остается показать перекрывание полученных гибридных орбиталей центрального атома с валентными орбиталями боковых атомов. В случае рассматриваемой молекулы CdI₂ боковым атомом является ₅₃I. Так как это р -элемент, то его валентные наружные электроны имеют орбиталь в виде гантели. В случае, если это будет s -элемент, то форма орбитали в виде шара.

"Подводя" валентные орбитали йода к гибридным орбиталям кадмия, получаем схему молекулы CdI₂ (рис. 2.3).

I Cd I

Рис. 2.3

2.1.2. Разберем вопрос о пространственной структуре молекулы. Пространственная структура молекулы связана с типом гибридизации и расположением боковых атомов вокруг центрального атома (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Тип гибри- дизации	sp	sp ²	sp ³	sp ³	sp ³
Простран-ственная структура
Форма молекулы	линейная	треугольная	тетраэдрическая	пирамидальная	угловая

Как видно из табл. 2.2, при sp ³ гибридизации может реализоваться тетраэдрическая форма, пирамидальная или угловая в зависимости от числа боковых атомов (4, 3, 2 – соответственно). В данном типе гибридизации могут оставаться неиспользованные орбитали, которые влияют на величину валентного угла.

Из рис. 2.3 следует, что рассматриваемая молекула CdI₂ имеет линейную форму.

2.1.3. Теперь отметим наличие σ и π связей в молекуле. Если область перекрывания находится на оси связи, такая связь σ - типа (сигма тип), если область перекрывания расположена по обе стороны от оси связи – это π-тип (пи тип) (рис. 2.4).

а) б) в)

σ - тип

π - тип

Рис. 2.4. Типы связей

Исходя из рисунка 2.3. делаем вывод, что в молекуле CdI₂ две ковалентные связи σ-типа.

2.1.4. Определим полярность связи и молекулы в целом. Полярность связи обусловлена наличием диполя, образованного за счет оттягивания валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома (Приложение 1). В связи Cd–I в молекуле CdI₂ более электроотрицательным элементом является йод. Поэтому связь Cd–I является полярной.

Для определения полярности молекулы необходимо учитывать: а) полярность связи; б) пространственную структуру молекулы.

Молекула CdI₂ неполярна, так как при наличии двух диполей оттягивание электронов идет в обе стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.

Рассмотрим молекулу OF₂.

Выписываем валентные электроны центрального атома – кислорода.

Далее надо перевести электроны в возбужденное состояние. Однако, на втором энергетическом уровне свободных орбиталей нет, поэтому распаривание электронов невозможно. Если в качестве центрального атома будет похожий элемент, но находящийся в третьем периоде, то для таких простых молекул, которые предлагаются в задании не следует при возбуждении переводить электроны с 3 s и 3 р на 3 d, так как на это необходимы большие затраты энергии.

Так как у атома кислорода имеется два неспаренных электрона, то он может образовать две связи. Выписываем валентные электроны фтора: 2 s ²2 p ⁵

У фтора имеется один неспаренный электрон. По представле-ниям Льюиса молекула OF₂может быть изображена следующим образом:

Далее определяем тип гибридизации центрального атома – кислорода. Для этого производим "сложение": s + p + p + p = 4 sp ³. При этом не следует писать 2 s или 2 р, так как речь идет не об электронах (например, на 2 s- подуровне), а их действительно 2, а об орбиталях, т.е. пространстве вероятного нахождения электронов. Рисуем четыре оси и гибридные облака. Подводим валентные орбитали F (это р -элемент). Получаем угловую молекулу с теоретическим валентным углом 109 ^о (рис. 2.5).

Рис. 2.5

Связи О–F – полярные, молекула в целом тоже полярна, так как в вершине угла заряд со знаком "+", а в противоположной стороне "-". Происходит оттягивание электронов в сторону F, т.е. образуется диполь. Две связи О–F – ковалентные, σ-типа.

Задание 2.2. Для двух приведенных комплексных соединений (табл. II. 3): определить степени окисления всех составляющих и указать комплексообразователь, лиганды, ионы внешней и внутренней сферы и координационное число.