Электрические и магнитные свойства молекул

Молекулы, образованные двумя атомами с разной электроотрицательностью, полярны. Дипольный момент μ = e∙ℓ, где е – значение элементарного электрического заряда; ℓ - расстояние между зарядами. Если связь между атомами одинарная, то чем выше разница в электроотрицательности атомов, тем более полярна молекула. Если же атомы связаны кратной связью, то на основании электроотрицательности атомов нельзя однозначно сказать о полярности связи и направленности диполя молекулы. Это объясняется вкладом неподеленной электронной пары одного из атомов в общую полярность молекулы. Например, молекулы HCl и СО составлены атомами, у которых разность между электроотрицательностями примерно одинакова и равна единице. Однако дипольные моменты молекул разные: μ(HCl) >> μ(СО). И направленность диполя в молекуле СО другая: отрицательный конец диполя направлен в сторону менее электроотрицательного атома углерода. Объясняется это тем, что в молекуле СО тройная связь: две связи образуют неспаренные электроны по обменному механизму (общие электронные пары смещены к атому кислорода как более электроотрицательному), третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму (атом кислорода предоставляет свою неподеленную электронную пару на свободную орбиталь атома углерода). Это приводит к смещению электронной плотности от атома кислорода к атому углерода и это смещение настолько велико, что избыточная электронная плотность оказывается на атоме углерода.

Молекулы, состоящие более чем из двух атомов, могут быть полярными или неполярными, даже если отдельные химические связи в ней полярные. Симметричное располажение даже полярных связей приводит к общей неполярности молекулы. Например, О=С=О – симметрично линейная неполярная молекула. В ней химические связи полярные, но центр тяжести и положительного и отрицательного зарядов находится в центре молекулы в силу ее симметричности.

Гибридизация связей приводит к неполярности молекул или ионов. Но не всегда, а только тогда когда гибридная орбиталь не занята неподеленной электронной парой. Если же на гибридной орбитали находится неподеленная электронная пара, то это приводит к сильному смещению центра тяжести отрицательных зарядов и к увеличению полярности молекулы.

Если ион или молекулу поместить в электрическое поле, то происходит деформация – смещение ядер и электронов относительно друг друга. Такая деформация называется поляризуемостью. В первую очередь испытывают смещение электроны внешнего слоя.

При одинаковом радиусе и заряде наибольшей поляризуемостью обладают ионы, которые имеют внешнюю заполненную 18 электронную оболочку; меньшей поляризуемостью обладают ионы с незаполненной 18-электронной оболочкой; еще меньшей – ионы с 8-электронной структурой.

При одинаковой структуре электронных оболочек поляризуемость иона уменьшается по мере увеличения положительного заряда иона.

Для электронных аналогов поляризуемость ионов увеличивается с ростом числа электронных слоев.

Электрическое поле может быть создано самим ионом, т.е. ион сам может оказывать поляризующее действие на другие ионы или молекулы. Поляризующее действие иона возрастает с увеличением заряда и уменьшением радиуса, а при одинаковом заряде и радиусе – по ряду 8-электронных структур; незаконченных 18-электронных структур; законченных 18-электронных структур. При этом катионы обладают большим поляризующим действием, чем анионы, т.к. они меньше по размерам.

Молекулы обладают поляризующим действием только, если они полярны, и это действие тем выше, чем больше μ.

По своим магнитным свойствам все вещества делятся на парамагнитные и диамагнитные.

Парамагнитные вещества – это те, в которых атомы или молекулы обладают постоянным магнитным моментом.

Диамагнитные – те, атомы или молекулы которых не обладают магнитным моментом.

Парамагнитные вещества обладают свойством втягиваться в магнитное поле, диамагнитные – выталкиваются магнитным полем.

Если в молекуле имеются неспаренные электроны, то она обладает парамагнитными свойствами, если неспаренных электронов нет, то молекула диамагнитна. Такой вывод дает МВС и он в основном верен. Но не всегда МВС в состоянии объяснить магнитные свойства веществ. Например, с точки зрения МВС молекула О₂ должна быть диамагнитна, а она обладает парамагнитными свойствами. Этот факт объясняет другой метод описания химической связи – метод молекулярных орбиталей (ММО).

 

Ионная и водородная связь

Валентная связь, сопровождающаяся практически полным переходом электронной пары к одному из атомов и последующим сближением образовавшихся ионов (электрически заряженных частиц, образовавшихся из атомов или атомных групп вследствие потери или присоединения электронов), называется ионной связью.

Соединение по типу ионной связи происходит в тех случаях, когда реагирующие атомы обладают резко противоположным характером – элементы 1,2 групп с элементами 5-8 групп. Однако полностью ионной связи не существует.

Наиболее близкое к такому положению имеет место в кристаллах наиболее типичных солей.

Так как в основе ионной связи – электростатическое притяжение разных по знаку зарядов, то такая связь характеризуется насыщенностью.

Водородной называют такую связь, которая образуется посредством атома водорода, входящего в состав одной из двух связанных частиц (молекул или ионов).

О наличии такой особой связи свидетельствуют аномально высокие температуры кипения Н₂О и НF по сравнению со своими аналогами H₂S и др. и HCl и др. Такая связь препятствует отрыву молекул друг от друга, т.е. уменьшает испаряемость.

Водородная связь объясняется кулоновскими силами притяжения, действующими между эффективными +δ и –δ –зарядами разных молекул с сильно полярными связями. Атом водорода имеет эффективный +δ, а атом кислорода или фтора (в силу большой разницы в электроотрицательности) - -δ. Благодаря кулоновским силам молекулы притягиваются – это межмолекулярная связь. Водородная связь графически обозначается пунктирной линией:

Н^+δ-F^-δ----Н^+δ-F^-δ

Энергия водородной связи примерно в 10 раз меньше, чем обычной ковалентной. Однако ее хватает для существования в парах димеров Н₂О, НF и муравьиной кислоты.

Водородная связь может быть и внутримолекулярной, например в органических соединениях со смешанными функциями.