Электронную структуру молекул ковалентных соединений, образуемых элементами главных подгрупп периодической системы, обычно можно записать на основании подсчета числа валентных электронов в молекуле, распределив затем валентные электроны на -неподеленные и поделенные пары электронов таким образом, чтобы каждый атом достигал аргоноидной структуры.
Рис. 6.2. Структура изомерных молекул этилового спирта СН3СН2ОН и диметилового эфира (CH3)2O.
Часто необходимы экспериментальные данные относительно того, каким образом атомы соединяются между собой. Это особенно существенно для органических соединений. Известны, например, два соединения, имеющие состав С2Н6О: этиловый спирт и диметиловый эфир. Химические свойства этих двух веществ указывают на то, что одно из них— этиловый спирт — содержит один атом водорода, присоединенный к атому кислорода, тогда как диметиловый эфир не содержит такой (гидроксильной) группы. Строение этих двух изомерных молекул приведено на рис. 6.2.
Соединения водорода с неметаллами
Рассмотрим вначале структуру, которую можно ожидать для соединения водорода с фтором — самым легким элементом седьмой группы. Атом водорода имеет одну орбиталь и один электрон. Следовательно, он может достигнуть конфигурации гелия в результате образования одной ковалентной связи с другим элементом. Фтор имеет семь электронов на внешней оболочке (L-оболочке). Эти семь электронов занимают четыре орбитали L-оболочки. Они соответственно образуют три пары электронов на трех орбиталях, а на четвертой орбитали имеется один электрон. Отсюда следует, что атом фтора также может достигнуть аргоноидной конфигурации путем образования одной ковалентной связи с использованием одного своего электрона. Таким образом, приходим к выводу, что фтористый водород имеет молекулу следующего строения:
В этой молекуле фтористого водорода имеется единственная ковалентная связь, достаточно прочно связывающая атом водорода с атомом фтора.
Часто удобнее записывать электронную структуру, пользуясь чертой в качестве символа ковалентной связи вместо точек, означающих поделенную пару электронов. В некоторых случаях, особенно когда электронная структура данной молекулы вызывает сомнение, во внешней оболочке каждого атома также указывают неподеленные пары электронов, однако чаще всего их опускают
Другие галогены образуют аналогичные соединения:
Все эти вещества — сильные кислоты: при их растворении в воде протон отделяется от молекулы и присоединяется к молекуле воды, образуя ион гидроксония Н30+, а галоген остается в виде галогенид-иона:
Фтористый водород слабая кислота.
Элементы шестой группы (кислород, сера, селен, теллур) могут приобрести аргоноидную структуру путем образования двух ковалентных связей. У кислорода на внешней оболочке шесть электронов. Эти электроны могут распределиться по четырем орбиталям так, что две неподеленные пары электронов будут находиться на двух орбиталях, а на двух других будет по одному электрону. Эти два неспаренных электрона могут участвовать в образовании ковалентных связей с двумя атомами водорода, что приводит к образованию молекулы воды со следующей электронной структурой:
Если молекула воды теряет протон, то образуется ион гидроксила ОН-
Если же молекула воды приобретает протон (присоединяющийся к одной из неподеленных пар электронов), то образуется ион гидроксония Н30+
Все три атома водорода в ионе гидроксония соединены с атомом кислорода связью одного и того же типа — ковалентной.
В перекиси водорода Н2О2 каждый атом кислорода достигает конфигурации неона в результате образования одной ковалентной связи с другим атомом кислорода и одной ковалентной связи с атомом водорода:
Сероводород, селеноводород и теллуроводород имеют ту же электронную структуру, что и вода:
Азот и другие элементы пятой группы, имеющие пять внешних электронов, могут достигнуть аргоноидной конфигурации в результате образования трех ковалентных связей. Аммиак, фосфин, арсин и стибин имеют следующее строение:
Молекула аммиака может присоединять протон и образовывать ион аммония NH4+, в котором все четыре атома водорода удеркиваются у атома азота ковалентными связями:
В ионе аммония при образовании ковалентных связей используются все четыре L-орбитали. Образование иона аммония из аммиака подобно образованию иона гидроксония из воды.
Электронная структура некоторых других соединений
Электронные структуры других молекул, имеющих ковалентные связи, можно легко записать, если учесть, что атомы неметаллических элементов должны иметь при этом заполненные октеты электронов. Структуры некоторых соединений неметаллических элементов приведены ниже*:
Пример 6.1.
Кремний и водород образуют соединение силан SiH4. а) Какова его электронная структура? б) Какие орбитали атома кремния используются при образовании четырех ковалентных связей?
Решение. а) Кремний — элемент, родственный углероду, и силан — аналог метана СН4. В этом случае используются четыре электрона от атома кремния и по одному электрону от каждого атома водорода, что приводит к валентной электронной структуре,
б) Кремний принадлежит к третьему короткому периоду. Следовательно, четыре валентных электрона его относятся к М-оболочке с главным квантовым числом 3.
Пример 6.2.
Запишите электронную структуру этилхлорида C2H5Cl. Какой аргоноидной структуры достигает каждый атом в этом соединении?
Решение. У атома водорода в валентной оболочке один электрон, у атома углерода— четыре и у атома хлора—семь. Все атомы будут иметь аргоноидную структуру пои электронной структуре этилхлорида
Водород находится в первом очень коротком периоде, углерод во втором и хлор в третьем коротком периоде. Следовательно, они будут иметь структуры, соответствующие гелию, неону и аргону.
* Следует отметить, что иногда пытаются представить структурные формулы молекул таким образом, чтобы показать пространственное расположение атомов; приведенная здесь структура трихлорида азота записана так, чтобы показать пирамидальную конфигурацию данной молекулы, в которой атомы хлора в первом приближении находятся в трех углах тетраэдра вокруг атома азота. Пространственные конфигурации молекул рассмотрены в следующем разделе.