В соответствии со спекторскопическими данными молекулярные орбитали двухатомных молекул по уровню энергии располагаются в следующий ряд:

s1sсв <s1sраз <s2sсв <s2sраз <s2pxсв <p2pyсв =p2pzсв <p2pyраз =p2pzраз <s2pxраз.

Такой порядок расположения молекулярных орбиталей характерен для молекул второй половины периода (молекулы О2, F2, Nе2).

При энергетической близости 2S- и 2P-атомных орбиталей (В, С, N) электроны на s2s и s2р –орбиталях взаимно отталкиваются, поэтому p2pyсв и p2pzсв –молекулярные орбитали оказываются энергетически более выгодными, чем s2pxсв –МО. Порядок расположения молекулярных орбиталей несколько изменяется и имеет такую последовательность:

s1sсв <s1sраз <s2sсв <s2sраз <p2pyсв =p2pzсв <s2pxсв <p2pyраз =p2pzраз <s2pxраз.

Рассмотрим более подробно несколько молекул второго периода.

Молекула N2. Расположение молекулярных орбиталей представлено на рис.4.23.

А.О. МО А.О. Электроны 1S-атомных ор-

N’ N2 N’’ биталей азота образуют s1sсв -

spxраз и s1sраз -МО. Аналогично элек-

ppyраз ppzраз троны 2S-АО образуют s2sсв-

spxсв и s2sраз-МО. Электроны 2Р-

2P 2P подуровней азота при взаимо-

ppyсв ppzсв действии дают ppy,pzсв, spxсв и,

соответственно, такие же раз-

рыхляющие МО. В сумме оба

2S 2S атома азота имеют 10АО, на

s1sраз некоторых находится 14 элек-

тронов, молекулярных орбита-

1S 1S лей образуется тоже 10. На них

s1sсв должно разместиться 14 элек-

Рис.4.23. Схема расположения молекулярных тронов. Причем, заполнение

орбиталей молекулы N2. МО электронами происходит с

соблюдением трех известных принципов. В итоге, незаполненными остались p2pyраз-, p2pzраз- и s2pxраз-МО. Определим кратность связи молекулы N2. К.С.N2=10-4/2=3. Молекула с кратностью связи 3 очень прочная. Энергия диссоциации этой молекулы равна 940 кДж/моль. По сравнению с молекулой Н2 (для которой К.С.=1 и энергия диссоциации равна 435 кДж/моль) молекула азота сильно повысила свою прочность.

Электронная структура молекул, аналогична электронной структуре атома, может быть изображена при помощи электронных формул. В электронных формулах указываются все МО, заполненные электронами. Например, электронная формула молекулы Н2 имеет простой вид 2Н=Н2 [(s1sсв)2]. Электронная формула молекулы N2 более сложная: 2N=N2 [(s1sсв)2 (s1sраз)2 (s2sсв)2 (s2sраз)2 (ppy,pzсв)4 (spxсв)2].

Молекула О2. Атом кислорода располагается во второй половине периода, поэтому энергетическое различие между 2S- и 2Р-подуровнями больше, чем у атома азота, что не влечет ощутимое отталкивание 2S- и 2Р-электронов, поэтому последовательность в расположении МО не изменяется. Энергетическая схема орбиталей молекулы О2 показана на рис.4.24.

У атомов кислорода суммарное число орбиталей такое же, как у азота – 10, следовательно, молекулярных орбиталей у О2 – тоже десять. Суммарно количество электронов у молекулы О2 на два электрона больше, чем у молекулы азота. При распределении электронов по МО кислорода, в соответствии основным принципам распределения, последние два электрона занимают p2pyраз- и p2pzраз-орбитали, по одному на орбиталь (правило Гунда). Наличие неспаренных электронов на МО придает молекуле кислорода новые свойства, по сравнению с молекулой азота. Молекула кислорода становится парамагнитной, т.е. она приобретает магнитные свойства и способна притягивать магнитным полем. У диамагнитных веществ все электроны парные.

Рассмотрим кратность связи в молекуле кислорода. К.С.О2=10-6/2=2. По сравнению с молекулой азота, молекула кислорода должна быть менее прочной. Действительно это так. Энергия диссоциации молекулы кислорода составляет 494 кДж/моль.

АО МО AO

О’ O2 O’

s2pxсв

p2pyраз p2pzраз

p2pyсв p2pzсв

2P 2P

s2pxсв

s2sраз

2S 2S

s2sсв

s1sраз

1S 1S

s1sсв

Рис.4.24. Схема расположения молекулярных орбиталей O2.

Электронная формула молекулы кислорода:

2О=O2 [(s1sсв)2 (s1sраз)2 (s2sсв)2 (s2sраз)2 (s2pxсв) (p2py,zсв)4 (p2py,zраз)4].

Рассмотрим молекулярную частицу, например молекулярный ион O+2. На рис.4.25. дана энергетическая схема такой частицы.

АО МО AO

О’ O+2 O+

s2pxраз

p2pyраз p2pzраз

p2pyсв p2pzсв

2P 2P

s2pxсв

s2sраз

2S s2sсв 2S

s1sраз

1S s1sсв 1S

Рис.4.25. Схема расположения молекулярных орбиталей частицы O+2.

В молекулярном ионе кислорода, частица O+2, суммированный заряд ядер кислорода на единицу превышает суммированный заряд электронной оболочки молекулы. Следовательно, у частицы O+2 на один электрон меньше, чем у молекулы кислорода O2. На схеме молекулярных орбиталей (рис.4.25.) на ppраз орбиталях имеется только один неспаренный электрон (орбиталь p2pyраз). Это вносит некоторые изменения в свойства таких частиц по сравнению с молекулами O2. По-видимому, ослабляют парамагнитные свойства и усиливают прочность молекулярного образования. Кратность связи O+2 будет (К.С. O2+=10-5/2=2,5) на 0,5 единиц выше. Следовательно такие кислородные частицы очень устойчивы. Энергия диссоциации O+2 равна 629 кДж/моль.

Сравнительные данные по распределению электронов на МО, кратности связи и энергии диссоциации молекул и некоторых молекулярных частиц элементов второго периода представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2.