1.1: Поняття склеювання в основній групі хімії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17904

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

У цій лекції ви дізнаєтеся наступне:

Структура Льюїса.
Обмеження моделі Льюїса.

Металоорганічна хімія елементів основної групи

Нашою метою в цьому курсі є введення однієї з важливих дисциплін неорганічної хімії, яка з'єднує органічні сполуки з основною групою та перехідними елементами; металоорганічна хімія. Металоорганічна хімія визначається як хімія хімічних сполук, що містять одну або кілька зв'язків метал—вуглець, які мають по суті полярні (M ^Δ+ —C ^δ-) природи. Для початку варто розібратися в поняттях склеювання, що пояснюють структури як основної групи, так і перехідних елементів. Цілі перших кількох лекцій полягають у тому, щоб дати деяке уявлення про різні взаємодії метал-ліганд, які згодом допоможуть у плануванні синтезу, а також врешті-решт вивчають їх електронну та кінетичну стабільність. Курс розділений на чотири основні розділи, і перший розділ стосується різних концепцій зв'язку, що використовуються як для основної групи, так і для сполук перехідних металів. Другий і третій розділи стосуються металоорганічної хімії основних груп і перехідних елементів відповідно, тоді як четвертий розділ буде присвячений застосуванню металоорганічних сполук з особливим акцентом на каталіз.

Набір проблем разом з рішеннями представлені в кінці, а також у розділі 2. У майбутньому планується також забезпечити інтерактивні розділи.
Відповідна література та книги в цій та суміжних областях перераховані в кінці.

Молекулярна структура і склеювання

Хімічні властивості молекул можуть безпосередньо співвідноситися з їх електронними структурами. У цій лекції робляться спроби дати загальне уявлення про те, як еволюціонувала концепція зв'язку, починаючи від підходу Льюїса до розвитку молекулярної орбітальної теорії.

1.1.1: Структури Льюїса

Льюїс запропонував, що коли два атоми наближаються один до одного, щоб встановити зв'язок шляхом спільного використання електронної пари, буде встановлено ковалентний зв'язок. Одна пара електронів дасть єдиний зв'язок X—Y; дві або три пари електронів призводять до утворення подвійних (X = Y) та потрійних зв'язків (XY) відповідно. Пари валентних електронів, які не використовуються в зв'язку, називаються одинокими парами електронів або просто самотніми парами. Самотня пара електронів не бере участі в зв'язку; однак вони впливають на форму і геометрію молекули, а також на їх хімічні властивості.

Льюїс ввів правило октету, яке стверджує, що кожен атом поділяє свої валентні електрони з сусідніми атомами, щоб мати загалом вісім (s ² p ⁶) електронів у своїй валентній оболонці, щоб мати конфігурацію благородного газу. Винятком з цього правила є водень, оскільки в єдиній оболонці він може мати тільки два валентних електрона, 1s.

Просто підрахувавши кількість валентних електронів, присутніх на центральному атомі і його сусідах, структури Льюїса можна записати всього за три простих кроки.

Розглянемо валентні електрони всіх атомів-учасників; додайте електрон для кожного негативного заряду і відніміть по одному електрону для кожного позитивного заряду.
Визначте центральний атом і запишіть символи атомів навколо центрального атома. У більшості багатоатомних молекул найменш електронегативним буде центральний атом за винятком гідридів, наприклад, H ₂ O, NH ₃ або H ₂ S.
Розподіліть електронні пари по всій молекулі, щоб задовольнити октет всіх атомів, присутніх в молекулі, починаючи з самого електронегативного. Кожна пара однозв'язаних атомів вимагає однієї пари електронів.
Кожна сполучна пара повинна бути представлена єдиним зв'язком, а чистий заряд вважається володіти іоном (катіоном або аніоном) в цілому, а не окремим атомом.

Для деяких молекул точкова структура Льюїса відрізняється від експериментально визначених структурних спостережень. Наприклад, у ацетатних іонів обидві зв'язки C—O ідентичні за визначенням рентгенівської структури, але прогноз за структурою Льюїса неправильний. Причина обумовлена резонансом.

Обмеження моделі Льюїса

Молекули з непарною кількістю електронів ніколи не можуть задовольнити правило октета.

Приклад: НІ.

Деякі атоми з меншою кількістю валентних електронів ніколи не можуть завершити октет без формальних зарядів.

Центральний атом може мати більше 8 електронів. Приклад: модель SF ₆

Lewis не пояснює парамагнітну природу O ₂.

Геометрія та молекулярні форми не можуть бути пояснені моделлю Льюїса.

Опрацьовані приклади

Приклад 1: ClO ₂ ^- Рішення:
ClO ₂ ^- Загальна кількість електронів 7 + 2 х 6 + 1 = 20 = 10 пар

Визначте центральний атом і з'єднайте периферичні атоми з парою електронів у вигляді двох точок і порахуйте інші електронні пари
\(\ce{O:Cl:O}\) 20-4 = 16 електронів зліва (8 пар)

Завершіть октет атомів кисню і порахуйте інші електронні пари

16-12 = 4 електрони

Завершити октет атома хлору,
так як всі електрони утилізуються і октет задовольняється, немає необхідності будь-яких множинних зв'язків.

Структура - це чи чи

Приклад 2: СО

Рішення:
СО (окис вуглецю) Загальна кількість електронів 4 + 6 = 10

З'єднайте два атоми з парою електронів як дві точки і порахуйте інші електронні пари
\(\ce{C:O}\) 10-2 = 8 електронів залишилося

Доповніть октет атомів кисню і порахуйте інші електронні пари
8-6 = 2 електрона

Помістіть залишилася електронну пару на атомі вуглецю,
Всі електрони утилізуються і октет не задовольняється вуглецю, оскільки існує дефіцит ще чотирьох електронів.

Перетягніть дві електронні пари на атомі кисню між вуглецем і киснем, щоб встановити ще дві зв'язки так, щоб між C і O існував потрійний зв'язок, який задовольняє октет обох C і O.

Структура така:C: :O: або:C͡O: або |CO|

Проблеми:

Розробити структури Льюїса для: BF ₄ ^-, pCl ₃, PO ₄ ^3-, SO ₄ ^2-, O ₃, N ₂ і SO ₂