О взаимосвязи пространственного строения и свойств неорганических веществ

Формирование представлений о пространственном строении молекул возможно только на основе понимания природы химической связи в веществе. Учащиеся средних образовательных учреждений начинают знакомство с пространственным строением молекул на примере органических соединений. При изучении неорганических веществ вопрос пространственного строения молекул, как правило, не обсуждается.

Такое явление, как гибридизация атомных орбиталей, обычно изучается на примере орбиталей атома углерода, что существенно ограничивает представления обучающихся о строении вещества и свойствах химических связей. Понимание условий устойчивости гибридизации (энергетическая близость гибридизируемых орбиталей; их достаточная электронная плотность и достаточная степень перекрывания гибридных орбиталей с орбиталями соседних атомов) позволяет учащимся на основании положения химического элемента в периодической системе Д.И.Менделеева самостоятельно прогнозировать склонность к участию в гибридизации валентных орбиталей атомов разных химических элементов, что в свою очередь дает возможность объяснять устойчивость частиц вещества (молекул или ионов) и прогнозировать закономерности изменения химических свойств веществ.

Например, при переходе по периоду от элементов первой группы к элементам восьмой группы энергетическое различие внешних s - и p - атомных орбиталей увеличивается, в результате уменьшается возможность возникновения sp³ - гибридного состояния. В связи с этим в ряду однотипных тетраэдрических ионов SiO₄^4-, PO₄^3-, SO₄^2-, ClO^4- по мере уменьшения склонности центрального атома к sp³ - гибридному состоянию устойчивость ионов понижается. По этой же причине в ряду NH₃, H₂O, HF склонность валентных орбиталей центрального атома к sp³ - гибридному состоянию тоже падает. Этот факт объясняет изменение свойств в данном ряду соединений от основных у аммиака, обусловленных достаточно ярко выраженной пространственной направленностью двухэлектронной sp³ - гибридизированной орбитали атома азота, к амфотерным у воды и кислым у фтороводорода, в молекуле которого орбитали центрального атома участвуют в гибридизации крайне слабо.

Влияние электронной плотности гибридизируемых орбиталей на устойчивость sp³ - гибридного состояния можно проиллюстрировать на примере однотипных молекул, образованных элементами одной и той же подгруппы. Например, в ряду H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te по мере увеличения объема валентных орбиталей центрального атома и, как следствие, уменьшения их электронной плотности, устойчивость sp³ - гибридного состояния падает, оно становится менее характерным, что объясняет изменение валентных углов между ϭ- связями: от 1050 в молекуле воды до 90^o в молекуле теллуроводорода. Последнее значение говорит о том, что в молекуле теллуроводорода ϭ - связи образованы так называемыми чистыми р - обиталями. Аналогичным образом объясняется изменение валентных углов в ряду NH₃, PH₃, AsH₃, SbH₃, BiH₃. Валентные орбитали атома азота, по сравнению с валентными орбиталями атомов других элементов этой же главной подгруппы, характеризуются большей энергетической близостью и большей электронной плотностью. Это позволяет сделать заключение о большей устойчивости sp³ - гибридного состояния атома азота. Поскольку при переходе от азота к висмуту устойчивость sp³ - гибридного состояния падает, электронодонорные свойства молекул в приведенном ряду ослабевают. Основность соединений данного ряда падает. Если производные аммония вполне устойчивы, то арсоний-ион AsH₄⁺ обнаружен лишь с помощью ИКС. Ионы SbH₄⁺ и BiH₄⁺ не обнаружены. Явление гибридизации атомных орбиталей обусловливает такое свойство ковалентной связи, как направленность.

Устойчивость иона или молекулы вещества определяется формой частицы. Форма частицы, в свою очередь, зависит от числа заместителей, связанных с центральным атомом. Например, в ряду ионов ClO^-, ClO^2-, ClO^3-, ClO^4- их устойчивость возрастает при неизменном гибридном состоянии атомных орбиталей хлора (в каждом из приведенных анионов хлор находится в состоянии sp³ - гибридизации). Это объясняется тем, что при переходе от ClO^- к ClO^4- возрастает число орбиталей хлора, принимающих участие в образовании связей. Особо устойчив перхлорат - анион, в котором все валентные орбитали хлора, занятые электронами, участвуют в образовании связей. С увеличением числа заместителей, связанных с центральным атомом, форма ионов в данном ряду меняется: гипохлорит - анион имеет линейное строение (так называемая гантельная форма), хлорит - анион имеет угловую форму, у хлорат - аниона форма пирамиды, перхлорат - анион (тетраоксохлорат - анион) имеет форму тетраэдра.

Вывод о возрастании устойчивости анионов в данном ряду позволяет учащимся самостоятельно предсказать уменьшение их окислительной активности и возрастание силы соответствующих кислот. Хлорная кислота проявляет очень сильные кислые свойства, что подтверждается фактом её взаимодействия с таким крайне слабым азотистым основанием, как трифениламин. Гипохлорит - анионы в данном ряду ионов являются наиболее сильными окислителями. Они вступают в окислительно - восстановительное взаимодействие в любой среде. Триоксохлораты в растворах окисляют в сильнокислой среде. Окислительная способность перхлорат - аниона в растворах практически не проявляется.

Если гибридизация с участием s - и p - орбиталей может быть проиллюстрирована на примере молекул неорганических и органических веществ, то явление гибридизации с участием d - орбиталей можно рассмотреть только на примере молекул неорганических соединений. Например, в молекуле PCl5 орбитали центрального атома находятся в состоянии sp³d - гибридизации. Пять sp³d - гибридизированных орбиталей атома фосфора, образующих связи с пятью заместителями, обусловливают форму тригональной бипирамиды. В молекуле SF₆ центральный атом серы находится в состоянии sp³d² - гибридизации. В этом случае гибридизированных орбиталей у центрального атома шесть. При этом каждая из них образует связь. Молекула SF₆ имеет форму октаэдра.

Информацию о типах гибридизации (с участием s - и p - орбиталей), количестве заместителей, связанных с центральным атомом, и форме частицы (молекулы или иона) имеет смысл систематизировать в следующей таблице:

Достаточно часто явление sp³ - гибридизации осуществляется в случаях, когда центральный атом молекулы или иона образует менее четырех связей, но при этом характеризуется наличием хотя бы одной свободной двухэлектронной орбитали. Например, в молекуле воды центральный атом образует две ϭ - связи, но образованы они не за счет участия двух одноэлектронных р - орбиталей атома кислорода, а при участии двух из имеющихся четырех sp³ - гибридизированных орбиталей. Две оставшиеся двухэлектронные sp³ - гибридизированные орбитали атома кислорода связи в молекуле воды не образуют. Аналогичная ситуация наблюдается в молекуле аммиака. Три ϭ - связи образованы при участии трех из имеющихся четырех sp³ - гибридизированных орбиталей атома азота, что подтверждается значением валентного угла в молекуле: он составляет 1070, что гораздо ближе к значению тетраэдрического угла, чем к значению 90^o, которое наблюдалось бы в случае образования ϭ - связей при участии чистых р - орбиталей атома азота.

Четвертая двухэлектронная sp³ - гибридизированная орбиталь атома азота в молекуле аммиака связь не образует, обусловливая основные и нуклеофильные свойства аммиака.

Знакомство учащихся с теорией гибридизации на примере как органических, так и неорганических соединений формирует более глубокие и разносторонние представления о пространственном строении молекул и ионов, устанавливая внутрипредметные взаимосвязи. Это позволяет ученикам с большей долей самостоятельности прогнозировать свойства веществ и их поведение в той или иной химической ситуации, способствует формированию логического мышления, развивает творческие способности.