3.2.3.
Дипольный момент молекул
Простейшей моделью системы, содержащей электрические
заряды, но в целом электронейтральной, является
электрический
диполь
. Электрический диполь представляет собой два заряда
Q
,
равных по величине, но различных по знаку, находящихся на
расстоянии
l
друг от друга.
Электрический
дипольный
момент
р
e
= Q
∙
l
. Дипольный момент
–
вектор, который направлен от «минуса» к «плюсу»
.
Cl
Al
Cl
Cl
Cl
Al
Cl
Cl
Cl
Pd
Cl
Cl
Cl
Pd
Cl
Cl
n
48
Электроотрицательность
(ЭО)
–
количественная
характеристика способности атома смещать к себе общие
электронные пары. Связь ЭО с положением некоторых элементов в
ПС приведена ниже в таблице. Из таблицы видно, что в
горизонтальном направлении (по рядам ПС) ЭО увеличивается, а в
вертикальном направлении (по группам ПС) –
уменьшается.
В симметричной молекуле Н
2
центры положительного и
отрицательного зарядов совпадают. Такая молекула имеет
р
e
=
0. В
несимметричной молекуле Н
Cl
из
-
за большей ЭО
Cl
происходит
смещение электронного облака
σ
-
связи в сторону
Cl
. Появляется
электрический диполь
р
е
≠
0. Направление
р
e
от
Cl
(
δ–
)
к
H
(
δ
+)
.
Единица измерения
р
e
–
Кл∙м.
Т.к. расстояния между атомами в
молекулах ~ 10
–
10
м, а заряд электрона равен 1,6∙10
–
19
Кл, то
р
e
отдельных химических связей ~ 10
–
29
Кл∙м
. В справочной
литературе иногда
р
e
выражают в
дебаях
(1
D
= 3,336∙10
–
30
Кл∙м
).
Например,
р
e
(Н
Cl) = 1,04
D
.
Химические связи
с
р
e
≠
0 называют
полярными
.
Если в молекуле несколько полярных связей, то дипольные
моменты связей суммируют как векторы. Поэтому возникают
случаи, когда связи в молекуле полярны, а суммарный
р
e
молекулы
равен нулю, т. е. молекула в целом неполярна.
Например, молекула
CCl
4
в целом неполярна, т. к. сумма
р
e
полярных связей С–
Cl
в тетраэдре
CCl
4
равна 0; молекула Н
2
О
полярна, т.к.
р
e
двух полярных связей О→Н суммируются и дают
р
е
(Н
2
О), направленный по биссектрисе валентного угла (НОН):
Таким образом,
1) основной фактор, влияющий на величину дипольного момента
связи –
это разность ЭО элементов
,
образующих связь;
2) дипольный момент молекулы зависит от еѐ геометрического
строения;
O
H
H
..
..
p
e
(OH)
p
e
(OH)
p
e
(H
2
O)
49
3) определѐнный вклад вносят неподелѐнные пары электронов
(или неспаренные электроны) на ГАО. Такая пара электронов
создаѐт дипольный момент,
направленный в сторону атома
.
Например,
NH
3
и
NF
3
:
Сравнение ЭО Н(2,1),
N
(3,0) и
F
(4,0) показывает, что связи
N
–
H
и
N
–
F
должны обладать близкими
р
е
, т.к. примерно равны ∆ЭО.
Однако в случае
NH
3
р
е
(N
–
H
) суммируются с
р
е
электронной
пары, а в случае
NF
3
дипольные моменты связей в значительной
степени компенсируются дипольным моментом неподелѐнной
пары. В итоге,
р
е
(NH
3
) = 1,5
D
, а
р
е
(NF
3
) = 0,2
D
.
Степень
ионности
связи
в двухатомной молекуле типа АВ
может быть оценена, если взять отношение
р
е
(эксп.) к
рассчитанному
р
е
(рассч.), соответствующему идеально ионной
структуре:
Степень ионности связи
= (
р
е
(эксп.)/
р
е
(рассч.))∙100%.
Например, молекула
HF
имеет
р
е
(эксп.) = 1,82
D
, а
р
е
(рассч.) =
4,4
D
, следовательно, степень ионности связи
H
–
F
составляет
(1,82/4,4)∙100% = 41%.
Вопросы
Какие связи в приведенных молекулах полярные, какие нет:
О
2
, СО, Н
2
О, Н
2
SО
4
, С
2
Н
6
, СН
3
СН
2
ОН?
Бывают ли молекулы с полярными связями, но без
дипольного момента; с неполярными связями, но с дипольным
моментом?
Известно, что возможные значения ковалентности для атома
серы 2, 4 и 6. Объяснить почему не существует соединений Н
6
S
и
Н
4
S?
N
H
H
H
..
N
F
F
F
..
50
Расположить
в порядке убывания ЭО:
а
) As, Br, Ca, Ga, Ge, K, Se;
б
) As, Bi, N, P, Sb.
Сравнить изменение полярности химической связи в рядах:
а
) LiF, BeF
2
, BF
3
, CF
4
, NF
3
, OF
2
;
б
) LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF.
Привести примеры молекул
AX
n
(n = 2, 3, 4, 5, 6),
дипольный момент которых равен нулю. Какова их геометрия?
Задачи
3.45.
Указать направление дипольного момента в следующих
молекулах и частицах:
LiF, LiH, OH, BN, CaAs, FO.
3.46.
Какие из приведенных молекул имеют дипольный момент:
О
2
, СО, Н
2
О, ВеСl
2
, ВеСlВr, СF
4
, PF
3
, PF
5
?
3.47.
В каких из перечисленных молекул дипольный момент
отличен от нуля:
CaF
2
, OF
2
, PF
3
, BF
3
, SiF
4
, PF
5
, IF
5
, SF
6
, XeF
4
?
3.48.
Привести
примеры четырехатомных молекул типа АВ
3
без
дипольного момента.
3.49.
Есть ли дипольный момент у молекулы СН
2
Сl
2
? Возможны
ли для неѐ изомеры?
3.50.
Предложить
пространственную структуру молекул, для
которых известно, что они не имеют постоянного дипольного
момента: а)
PF
3
Cl
2
; TeF
4
Cl
2
, б)
AsF
2
Cl
3
; SeF
4
Cl
2
.
3.51.
Предложить пространственное строение молекул, если
известно, что они не имеют дипольного момента:
а)
SbCl
3
F
2
;
б)
SeCl
2
F
4
;
в)
FClC=CClF.
3.52.
Рассчитать дипольный момент октаэдрической молекулы
AB
5
C, если известно, что дипольный момент октаэдрической
молекулы ABC
5
равен 1 D.
51
3.53.
Рассчитать дипольный момент тетраэдрической молекулы
AB
3
C, если известно, что дипольный момент тетраэдрической
молекулы ABC
3
равен 0,1 D.
3.54.
Сравнить дипольные моменты молекул:
Cl
−
C
6
H
4
−
Cl
и
HO
−
C
6
H
4
−
OH.
3.55.
Дипольный момент связи
C
–
Cl
равен 1,97
D.
Оценить
дипольные моменты молекул
цис
-
и
транс
-1,2-
дихлорэтилена.
3.56.
Оценить дипольный момент молекулы Н
3
С–С≡СF, если
дипольные моменты связей равны: p(C–H) = 0,3 D и р(С–
F) = 1,4 D,
а электроотрицательности атомов равны: χ(С) = 2,5; χ(Н) = 2,1;
χ(F)
= 4,0.
3.57.
Рассчитать дипольный момент молекулы HCl (межъядерное
расстояние 1,27
Å), если бы она состояла из ионов H
+
и Cl
–
. Почему
полученное значение отличается от экспериментального (1,04 D)?
3.58.
Оценить эффективные заряды атомов (в долях заряда
электрона) в молекулах HF, KF, CsF, если их дипольные моменты
1,91; 7,33 и 7,88 D, а длины связей 0,92; 2,20 и 2,34 Å,
соответственно.
|