Раздел долгосрочного плана:
|
Школа:
|
Дата:
|
ФИО учителя:
|
Класс:10(
|
Количество присутствующих:
|
Отсутствующих:
|
Тема урока
|
Теория отталкивания электронных пар
|
Цели обучения, которые достигаются на данном уроке (ссылка на учебную программу)
|
10.1.4.10 использовать теорию отталкивания электронных пар для прогнозирования пространственной формы молекул и ионов
|
Цели урока
|
Ученики могут использовать теорию теории колебаний корпусов клапанов (VSEPR) для прогнозирования формы молекулы, формируя модель молекулярной формы
знает исторические и современные формы периодической таблицы, использует правило Ауфбау (Клечековский) для понимания структуры современной периодической системы, понимает смысл блоков s, p, d и f.
|
Критерии оценивания
|
правильно изображает четыре молекулы (80%), показывает трехмерную форму. Форма молекулы зависит от угла контакта. Он может отображать хорошо организованные интерпретации с использованием принципа управления питанием, который типичен для электронных шаблонов конфигурации.
|
Языковые цели
|
Учащиеся могут:
Учащиеся должны:
описывать и объяснять формы молекул;
Предметная лексика и терминология
Ионная, ковалентная, металлическая, делокализованная кристаллическая решетка, макромолекулярный, донорно-акцепторная(координационная), координировать, межмолекулярный, диполь, электроотрицательный, электроположительный, возбужденный, валентность, линейный, плоскостная, тетраэдрический, пирамидальный, треугольная бипирамида, октаэдрический, пентагональная, угол связи;
Серия полезных фраз для диалога/письма
Форма молекулы X это Y потому что…
(треугольная бипирамида) должна иметь (пять) пар электронов …
Пары электронов отталкивают друг друга потому что …
Неподеленная пара в молекуле X изменила угол связи от идеального угла Y градусов к Z градусов потому что…
|
Привитие ценностей
|
Развитие навыков командной работы
Воспитание для свободного изложения своей мысли
|
Межпредметные связи
|
Биология, физика
|
Навыки использования ИКТ
|
Использование презентации
|
Предварительные знания
|
7.2В Простые химические реакции
7.3B Геологические химические соединения
8.1B Ряд активности металлов
8.3С Обратимые реакции
9.2С Неметаллы и их соединения: Группы 16 и 17
|
Ход урока
|
Запланированные этапы урока
|
Запланированная деятельность на уроке
|
|
Начало урока
|
Организационные дейстия
Приветствие/ greeting
|
|
|
Теория отталкивания электронных пар
Теория отталкивания электронных пар валентных орбиталей (ОЭПВО)— один из подходов в химии, необходимый для объяснения и предсказания геометрии молекул. Согласно этой теории молекула всегда будет принимать форму, при которой отталкивание внешних электронных пар минимально (принцип минимума энергии).
История
В 1940 г. Н. Сиджвик иГ. Пауэлл предложили модель отталкивания электронных пар, которая впоследствии была развита (1957) Р. Гиллеспии Р. Найхолмом. Основные идеи этого подхода, приложимого только к соединениям непереходных элементов, сводятся к следующему:
Конфигурация связей многовалентного атома (или иона) обусловливается исключительно числом связывающих и несвязывающих электронных пар в валентной оболочке центрального атома.
Ориентация облаков электронных пар валентных орбиталей определяется максимальным взаимным отталкиванием заполняющих их электронов.
Описание
Если бы природа сил взаимного отталкивания электронных пар имела чисто электростатический характер, эти силы определялись бы соотношением (  . Однако кроме электростатического взаимодействия электронные пары на разных локализованных молекулярных орбиталях (ЛМО) испытывают отталкивание еще в силу действия принципа Паули, поэтому в выражении для сил , где — расстояние между
«центрами тяжести» облаков электронных пар ЛМО, . Задача поиска расположения центров облаков электронных пар, расталкивающихся в соответствии с при равных для всех пар величинах  , эквивалентна задаче размещения нескольких частиц на поверхности сферы при их максимальном удалении друг от друга. Эта задача решается строго для числа частиц от 2 до 12 и дает следующий результат:
Таблица 1. Конфигурация связей центрального атома А в зависимости от числа электронных пар q на его валентных орбиталях.
q
|
Конфигурация
|
2
|
Линейная
|
3
|
Равностороннийтреугольник
|
4
|
Тетраэдр
|
5
|
Тригональнаябипирамида
|
6
|
Октаэдр
|
7
|
Октаэдр с дополнительнойвершиной
|
8
|
Квадратнаяантипризма
|
9
|
Треугольная призма с тремя дополнительными вершинами
|
10
|
Квадратная антипризма с двумя дополнительными вершинами
|
11
|
Икосаэдр без одной вершины
|
12
|
Икосаэдр
|
В таблице 1 в число q входят электронные пары как на связывающих ЛМО, так и на несвязывающих, то есть неподеденные электронные пары. Гиллеспи ввел для связывающих электронных пар обозначение X, а для несвязывающих— Е. С учетом этих обозначений можно следующим образом представить геометрическую конфигурацию молекул типа AXmEn. Как видно из данных таблицы 2 (приведены некоторые примеры), в рамках теории ОЭПВО для определения топологии связей центрального атома в молекулах, образованных непереходными элементами, необходимо только сосчитать число электронных пар на связывающих и несвязывающихорбиталях и разместить их на осях соответствующего многогранника.
Развитие теории ОЭПВО и примеры
1. Неподеленная электронная пара занимает больший объем, чем пара электронов на орбитали, участвующей в образовании ординарной связи. Сила отталкивания электронных пар в данной валентной оболочке понижается в следующем порядке: неподеленная пара — неподеленная пара (Е — Е) >неподеленная пара — связывающая пара (Е—X) > связывающая пара — связывающая пара (X—X). Это допущение вытекает из таких простых аргументов, как то, что неподеленная электронная пара находится в поле только одного положительного атомного остова и, следовательно, более диффузна, чем связывающая электронная пара, испытывающая сжатие полем зарядов двух атомных остовов. Отсюда следует вывод, что в серии изоэлектронных молекул (то есть содержащих равное число электронных пар в валентной оболочке) неподеленная пара, заменяя связывающую электронную пару, стремится занять больше пространства вокруг атома. Этоуменьшаетвалентныеуглымеждусвязями, например, в ряду
Аналогичное объяснение имеют отклонения от полностью симметричной ориентации связей в молекуле типа
АХ5Е, АХ4Е, АХ3Е2.
Поскольку отталкивания электронных пар типа Е — X доминируют по сравнению с отталкиваниями X—X, валентные углы ХАХ несколько сжаты:
:
В прямой связи с данными об эффективных объемах связывающих и неподеленных электронных пар находится такое важное следствие, как положение о том, что в молекулах типа АХ4Е, АХ3Е2, АХ2Е3, геометрическая форма которых производится от структуры тригональной бипирамиды, электронные пары всегда занимают экваториальные положения (см. Таблица 2-3)
Это объясняется тем, что в структуре h имеются только два невыгодных Е—Х-взаимодействия электронных пар, когда их оси составляют угол 90°. В структуре i (топомернойh) таких невыгодных взаимодействий три.
2. Объем электронной пары, участвующей в образовании связи, уменьшается с увеличением электроотрицательностилиганда.
Более электроотрицательный лиганд сильнее притягивает общее электронное облако связывающей пары, что можно представить как дополнительное сжатие этого облака. Данная электронная пара будет более удалена от центрального атома и испытывает меньшее отталкивание со стороны других соседних электронных пар. Все это поведет к тому, что валентные углы, составляемые связями центрального атома с наиболее электроотрицательными лигандами, должны иметь наименьшие значения.
Эффект влияния изменения электроотрицательностилигандов на валентные углы связей иллюстрируется сравнением молекул NH3 и NF3 . Большая электроотрицательность фтора уменьшает размеры пары на связи N—F, в результате углы FNF составляют всего 102°, что на 5° меньше, чем углы HNH в аммиаке. Такая же тенденция наблюдается в ряду РI3 (102°), РВr3 (101,5°), РСl3 (100,3°), РF3 (97,8 ° ). Интересный пример — молекула (СН3)2РF3.
Валентные углы в этой молекуле уменьшаются в порядке СРС > СРF > FРF, соответствующем порядку возрастания электроотрицательностилигандов.
Следует отметить, что, если рассматривать неподеленную электронную пару как некий воображаемый лиганд
(фантом-лиганд) с предельно малой электроотрицательностью, правила 1 и 2 легко обобщаются.
3. Две электронные пары двойной связи или три электронные пары тройной связи занимают больший объем, чем электронная пара одинарной связи.
 Это правило является основным при рассмотрении геометрической структуры молекул, содержащих кратные связи. Как и для остальных молекул, определение конфигурации связей центрального атома основывается на выделении электронных пар σ-cвязей и неподеленных электронов. Электроны π- связей на этой стадии не учитываются. Так, например, чтобы определить форму молекулы S02 ( k), необходимо учесть, что из шести электронов в валентной оболочке серы два расходуются на образование двух π- связей. Из оставшихся четырех два образуют с неподеленными электронами кислородных атомов а-связи, а два остаются в виде неподеленной пары. Таким образом, необходимо учесть относительную ориентацию облаков трех электронных пар, что в согласии с данными табл. 4 ведет к угловой конфигурации.
В табл. 5 представлены данные о геометрической структуре широкого ряда молекул непереходных элементов с кратными связями. Так как кратная связь содержит более чем одну электронную пару, ее электронное облако занимает большее пространство, чем электронная пара ординарной связи. Размер электронного облака двойной связи по сравнению с размером орбиталинеподеленной электронной пары недостаточно определен. Обычно их размеры принимают равными. Больший размер кратной связи виден из примеров молекул типа Х2СО и Х2С=СН2, пирамидальных молекул типа Х2SO, тетраэдрических молекул типа РОХ3. Из табл. 5 видно, что угол ХСХ всегда меньше 120°, угол ХS0 больше угла ХSХ.
Важно подчеркнуть, что выводы теории ОЭПВО о геометрическом строении молекул легко экстраполируются на более сложные молекулы и ионы, чем рассмотренные в табл. 2-5. В каждом случае необходимо выделить фрагмент, содержащий центральный атом, координирующий около себя другие атомы или их группировки, и установить число и тип окружающих данный атом электронных пар. Таким образом, нетрудно определить, например, структуру молекулы Р4. Каждый атом фосфора в ней имеет три соседа и, кроме того, сохраняет одну неподеленную электронную пару. Следовательно, должнареализоватьсятетраэдрическаяконфигурацияосейэлектронныхпар, отвечающаямолекулярной
Молекула__Угол,_град__Молекула__Угол,_град'>Молекула
|
Угол, град
|
Молекула
|
Угол, град
|
XCX
|
CXO
|
XCX
|
XCC
|
F CO
2
|
108,0
|
126
|
H CH=CH
2 2
|
116,8
|
122
|
CH COF
3
|
110
|
128; 122
|
H C=CHF
2
|
115,4
|
123,3 ; 120, 9
|
Cl CO
2
|
111,3
|
124,3
|
H C=CF
2 2
|
109,3
|
125,3
|
H CO
2
|
115,8
|
122,1
|
H C=CCl
2 2
|
114
|
123
|
(NH ) CO
2 2
|
118
|
121
|
F C=CH
2 2
|
110
|
125
|
(NH ) CS
2 2
|
116
|
122
|
F C=CFCl
2
|
114
|
123
|
Молекула
|
XSX
|
XSO
|
Молекула
|
XPX
|
XPO
|
F SO
2
|
92,8
|
106,8
|
POF
3
|
101,3
|
113
|
Br SO
2
|
96
|
108
|
POCl
3
|
103,3
|
112
|
(CH ) SO
3 2
|
100
|
107
|
POBr
3
|
108
|
110
|
(C H ) SO 6 5 2
|
97,3
|
106,2
|
PSF
3
|
100,3
|
113,8
|
Таким же образомприходим к пирамидальнойконфигурациисвязейатомаселена (m) в полимерномдиоксидеселена (SeO2)n, угловойструктуреполимернойцепикристалла НF (n). Положения теории ОЭПВО полезны при определении строения не только стабильных молекул и ионов, но также для описания относительной ориентации групп в метастабильных комплексах и даже переходных состояниях реакций присоединения, замещения. Так, например, в полном согласии с данными строгих расчетов предсказывается тригонально-бипирамидальное строение переходного состояния в реакции бимолекулярного замещения на sp3- углеродном центре :
Действительно, пять электронных пар, окружающих центральный атом углерода в переходном состоянии реакции замещения, обусловливает его структуру p.
Недостатки теории ОЭПВО и отклонения от ее предсказаний
Как и всякая приближенная теория, основанная на той или иной модели, теория ОЭПВО сталкивается с рядом трудностей, предопределенных недостатками модели, лежащей в ее основе. Укажемнанекоторыеизних.
Как было отмечено в предыдущих разделах, теория приложима к описанию строения молекул только непереходных элементов, то есть элементов, не имеющих не полностью заполненные внутренние электронные оболочки. Дело в том, что наличие таких оболочек, например d-электронов в атомах переходных элементов, приводит к отклонениям от сферической симметрии распределения электронов остова. Это, в свою очередь, ведет к тому, что распределение облаков электронных пар в пространстве относительно центрального атома не подчиняется точно соотношению (1). Эти отклонения особенно заметны при значительном количестве (6—9) электронов в d-оболочках переходных элементов.
Участие d- орбиталей в связях, образуемых элементами низших периодов, также приводит к отклонениям от ожидаемой на основании представлений теории ОЭПВО геометрии. Хорошо известным примером являются угловые искажения молекул галогенидов щелочноземельных металлов. Этиотклоненияиллюстрируются в табл. 6.
Таблица 6. Конфигурация связей в молекулах галогенидов щелочноземельных металлов МХ2 (л — линейная, у — угловая конфигурации)
|
F
|
Cl
|
Br
|
I
|
Be
|
л
|
л
|
л
|
л
|
Mg
|
у
|
л
|
л
|
л
|
Ca
|
у
|
л
|
л
|
л
|
Sr
|
у
|
у
|
л
|
л
|
Ba
|
у
|
у
|
у
|
у
|
Причины этих отклонений вызваны изменениями в типе орбиталей центрального атома, образующих связи с галогенами, переходом от sp-типа к sd-типу по мере возрастания порядкового номера элемента и электроотрицательностилиганда. Теория ОЭПВО в отличие от представлений ЛМО и теории гибридизации АО не учитывает прямо тип орбиталей электронных пар, что и не позволяет учесть отдельные тонкие различия.
В соединениях типа АХ6Е и других с высоким координационным числом центрального атома неподеленная электронная пара является стереохимически инертной и структура соответствует конфигурации, получаемой без учета электронной пары Е. Так, анионы SbCl63-, ТеСl62- имеют октаэдрическое строение, хотя они, как и гек-сафторид ксенона ХеF6, содержат в валентной оболочке по семь электронных пар. Однако ХеF6 имеет в согласии с теорией ОЭПВО структуру неправильного октаэдра (табл. 3), тогда как в указанных анионах все связи равноценны. Другой пример — Сs2[XeF8]2-Анион этой соли, в котором центральный атом окружен девятью электронными парами, вопреки ожиданиям теории имеет строение квадратной антипризмы. Причина отмеченных отклонений состоит в том, что одна из валентных электронных пар, а именно ns2, сильно локализована и по своим свойствам резко отличается от характеристик остальных электронных пар.
Большие расхождения с предсказаниями теории ОЭПВО наблюдаются для соединений с высокополярными связями, близкими к ионному типу. Так, молекула Li2O, относящаяся к типу АХ2Е2, имеет не угловую, а линейную форму. Последнее понятно из электростатических соображений, если представить Li2O в форме ионной структуры Li+02-Li+.
В теории ОЭПВО характеристики заместителей X фактически не принимаются во внимание. Кроме неправильных предсказаний для ионных соединений, это ведет к неточному предсказанию и для соединений, в которых X представляет собой π-сопряженную систему. Так, анионы АХ3Е типа C(CN)3-,C(NO2)3- имеют не ожидаемую пирамидальную, а плоскую форму вследствие того, что последняя обеспечивает лучшие условия для включения неподеленной электронной пары в общую π-систему. Несмотря на отмеченные недостатки, представления теории ОЭПВО исключительно полезны и при правильном применении достаточно надежны для объяснения и предсказания структурных характеристик молекул и ионов, образованных непереходными элементами в самых различных валентных состояниях. Теория ОЭПВО может служить примером простой и эффективной теоретической концепции, позволяющей предвидеть главные детали молекулярной структуры без проведения трудоемких расчетов.
Индивидуальная работа (Взаимооценивание)
(У)Теория ОЭПВО предсказывает, что бор образует плоскую молекулу BCl3 с валентными углами 120°, где условно обозначены три гибрид-
ныеорбитали, образующиеся из одной s- и двух р‑ атомных орбита-
лей, которые направленные под углами 120° от центрального атома бора к вершинам правильного треугольника, в которых располагают-
ся концевые атомы хлора. В случае четырех пар электронов, минимальное отталкивание происходит в тетраэдрической структуре связей вокруг атома.Взаимное отталкивание пяти электронных групп приводит к тригонально-бипирамидальной геометрической форме. В случае шести электронных пар, структура октаэдрическая.
(К) Работа с классом (Самооценивание)
(f) идет процесс формативного оценивания
Даем обратную связь
После окончания нового урока идет закрепление полученных знаний.
Критерий оцекнивания(Определены вместе с учащимися)
-умеет объяснять различие формы молекул;
- объясняет как неподеленные пары влияют на форму молекулы. (Взаимооценивание по критериям)
Даем обратную связь
|
|
Конец урока
|
Рефлексия
В шкале, который будет представлен по интерактивной доске, учащийся пишут свои пожелания по осознанному восприятию материала и приклеивать к доске рядом смайликом.
Я не понял Не уверен Уверен и все понял
Учитель устно оценивает активность учащихся и при необходимости благодарит в отдельности некоторых учащихся.
|
| |
Скачать 0.7 Mb.