6.13. Принцип електронейтральності

При записі електронних структур речовин дуже корисний принцип електронейтральності. Згідно з цим принципом, стійкі молекули й кристали мають таку електронну будову, за якої електричний заряд кожного атома близький до нуля. «Близький до нуля» означає, що цей заряд має лежати між -1 і +1.

У слушності цього принципу можна переконатися, розглянувши величини енергії іонізації атомів і їхньої спорідненості до електрона. Атоми неметалів мають спорідненість до першого електрона, що дорівнює приблизно 350 кДж·моль^-1, наприклад для перетворення атома F на аніон F^- або атома O на аніон O^- (підрозд. 6.9). Проте, як правило, значної спорідненості до другого електрона, потрібного для перетворення O^- на O^2-, не спостерігається, навіть якби при цьому утворився октет електронів. У цьому разі відштовхування двох від'ємних зарядів знижує притягання другого електрона майже до нуля. Так само значення першої енергії іонізації атомів металів лежать приблизно між 400 і 800 кДж·моль^-1, тоді як друга енергія іонізації становить 1500 кДж·моль^-1 і більше. Звідси випливає, що в стійких молекулах малоймовірна присутність атома, який мав би подвійний від'ємний або подвійний додатний заряд.

Застосування принципу електронейтральності при визначенні електронної будови молекул і кристалів розглянуто в наведених нижче прикладах, у наступному підрозділі цього розділу та в наступних розділах.

Яку структуру слід приписати молекулі гідроген ціаніду HCN чи HNC?

Розв'язання. За електронної структури H—C=N: атоми майже нейтральні. Частково іонний характер зв'язків (ступінь іонності 4% для H—C і 7% для кожного зв'язку C—N) приводить до заряду +0,04 на H, +0,17 на C і —0,21 на N. Ці заряди малі й цілком відповідають принципу електронейтральності. Для HNC відповідно до структури H—N = C:, що забезпечує октети електронів навколо атомів N і C, чотири валентні електрони належать N і п'ять — C, що відповідає N⁺ і C^-. Тоді частково іонний характер зв'язків приводить до такого розподілу зарядів: +0,04 на H, +0,75 на N і —0,79 на C. У даному випадку заряди на N і на C значно більші, ніж у структурі H—C = N:, і відповідають нестійкості HNC. Таким чином, переважною структурою є HCN.

Яка електронна структура анестезійного газу — нітроген(I) оксиду N₂O?

Розв'язання. Циклічна структура в цьому випадку неприйнятна через напруженість зігнутих зв'язків. Лінійна структура дає змогу завершити октет електронів для кожного атома, але прийняти її не можна, оскільки вона передбачає утворення подвійного від'ємного заряду на кінцевому атомі Нітрогену. Двома іншими структурами із завершеним октетом для кожного атома є наведені на схемі, при цьому кожна передбачає формальні заряди на обох атомах, як показано на схемі. Обидві структури видаються однаково придатними, і можна зробити висновок, що дана молекула найкраще описується резонансним гібридом двох розглянутих структур, які вносять майже однаковий внесок.