ОКСО: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Кубанский государственный аграрный университет
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 153
Дополнительно
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 1 УДК 541.67+544.163.2 О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ИЗМЕНЕНИЙ ВАЛЕНТНЫХ УГЛОВ И ПОТЕНЦИАЛОВ ИОНИЗАЦИИ В РЯДАХ МОЛЕКУЛ ВИДА ЭХ3 И ЭХ2 Халитов Фарит Гусманович д.х.н., профессор Халитов Карим Фаритович Казанский государственный энергетический университет, Казань, Россия Проведены корреляции между величинами разности первых потенциалов ионизации атомов и молекул (∆E) и валентными углами α для трехкоординированных соединений вида ЭХ3 (Э=N,P,As,Sb; X=F,Cl,Br,I,CH3), а также ЭХ2 (Э=O,S,Se,Te; X= CH3, SiH3, GeH3). Показано, что введенная величина ∆E может служить аддитивной мерой изменения валентного угла α в основном и возбужденном состояниях. Установленные функциональные зависимости согласуются с изменениями характера гибридизации орбиталей и параметров R, характеризующих взаимодействие электронных пар при центральном атоме Э Ключевые слова: ПОТЕНЦИАЛЫ ИОНИЗАЦИИ, ВАЛЕНТНЫЕ УГЛЫ, НЕПОДЕЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПАРЫ UDC 541.67+544.163.2 ABOUT REGULARITIES OF CHANGES OF VALENT ANGLES AND POTENTIALS OF IONIZATION IN THE RANKS OF ЭХ3 AND ЭХ2 MOLECULES Khalitov Farit Gusmanovich Dr.Sci.Chem., professor Khalitov Karim Faritovich Kazan state power university, Kazan, Russia Correlations between values of the differences of first potentials ionization of atoms and molecules (∆E) and valency angels α for three coordinated molecules of types ЭХ3 (Э=N, P, As, Sb are carried out; X=F, Cl, Br, I, CH3), and also ЭХ2 (Э=O, S, Se, Te; X = CH3, SiH3, GeH3) are described in this article. It is shown, that the entered value ∆E can serve as additive measure of change of the valency angle α in the basic and raised stances. We have also established that the functional dependences correlate with changes in the of hybridization of orbitals and the R parameters characterizing the interaction of electronic pairs near the central Э atom Keywords: POTENTIALS OF IONIZATION, VALENCY ANGLES, LONE PAIRS OF THE ELECTRONS Известно, что интерпретация данных метода фотоэлектронной спек троскопии (ФЭС) позволяет, в частности, изучать изменения геометричес ких характеристик молекулы в основном, возбужденном и ионизирован ном состояниях [1-2]. В ФЭС трехкоординированных симметричных прои зводных ЭХ3 (Э=N, P, As, Sb) имеется полоса, соответствующая первому потенциалу ионизации, которая идентифицируется с выбиванием электро на n-орбитали (верхней заполненной молекулярной орбитали) и отрывом электрона неподеленной электронной пары (НЭП), характеризуя её энер гию и в значительной мере зависит от валентных углов и гибридизации Э [1-3]. В работах [3-11] проводится поиск взаимосвязи потенциалов иониза ции (ПИ) с различными физико-химическими параметрами для родствен ных рядов соединений, в частности, эмпирических корреляций для моле
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 2 кул пятой группы периодической системы. Из них следует, что между пер выми ПИ и различными молекулярными свойствами наблюдаются прямо линейные зависимости. Однако в рассмотренных рядах коррелируются ог раниченное число молекул или обсуждаются ряды с одинаковыми цен тральными элементами Э. С целью расширения числа молекул, участвующих в корреляцион ных зависимостях в данной статье были рассмотрены взаимосвязи значе ний первых ПИ с валентными углами в рамках модели отталкивания элек тронных пар валентной оболочки (ОЭПВО) [12,13]. Из этой модели следует, что энергия ионизации электрона НЭП ) ( Э Н Е , в частности, определяется кулоновским притяжением к ядру и отталкива нием от связывающих электронных пар (СЭП), и будет определять стро ение молекулы, т.е. валентные углы α в производных ЭХ3. В таблице 1 приведены литературные данные для углов α, полученные в газовой фазе методами микроволновой спектроскопии и электронографии [14-20]. При наличии набора экспериментальных данных для одной молекулы использовались средние значения. Отклонение значений α, полученных разными авторами для некоторых соединений, составляет более 1°. В таблице 1 указаны также первые потенциалы ионизации ) ( Э Н Е молекул ЭХ3 (Э=N,P, As, Sb, Bi). Данные получены методом фотоэлек тронной спектроскопии в газовой фазе [1-5, 9]. Из таблицы 1, для горизонтальных рядов молекул ЭHgl3 при измене нии Э (N,P,As,Sb,Bi) и одинаковом Х, потенциалы ионизации молекул Э Н E близки, при этом изменяются потенциалы ионизации атомов Э i E и углы α. Так, для ряда 1 среднее Э Н E =12.77±0.47 эВ; для 2 Э Н E =10.75±0.23 эВ; для 3 - 10.09±0.13 эВ; для 4 - 9.10±0.05 эВ; для 5 - 8.53±0.12 эВ. Для ряда 7 N Н E молекулы N(C6H5)3 значительно выше среднего значения. В ряду 8 у
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 3 N(SiH3)3 N Н E также выше на 0.4 эВ. Исключая из рассмотрения молекулы N(C6H5)3 и N(SiH3)3, получаем среднее Э н E для ряда 7 - 8.00±0.18 эВ, Таблица 1 - Экспериментальные значения первых потенциалов ионизации Э н Е (эВ) и валентных углов α (град.) в молекулах ЭХ3 № Э Х N(14.53)* P(10.48) As(9.81) Sb(8.64) Bi(7.29) Э Н E α Э Н E α Э Н E α Э Н E α Э Н E α 1 F 12.97 102.4 12.28 96.9 13.00 96.0 12.66 95.0 12.96 - 2 Cl 10.69 107.4 10.52 100.1 10.85 98.6 10.73 97.2 10.98 97.3 3 Br - - 9.96 101.0 10.21 99.7 10.04 98.2 10.15 - 4 J - - 9.15 102.0 9.11 100.2 9.06 99.0 9.09 - 5 CH3 8.50 109.8 8.62 98.8 8.65 96.2 8.48 94.2 8.44 96.9 6 H 10.90 106.8 10.60 93.5 10.51 91.7 10.02 91.3 - - 7 C6H5 10.27 116.0 7.88 103.0 7.95 102.0 8.18 97.3 - 94.0 8 SiH3 9.7 119.6 9.3 96.8 9.3 94.1 - 89.0 - - *- В скобках указаны значения первых потенциалов ионизации атомов Э i E ,эВ. значения потенциалов P(SiH3)3 и As(SiH3)3 для ряда 8 равны. Для ряда 6 наблюдается некоторое уменьшение Э н E , однако в пределах 0.90 эВ. Для вертикальных рядов, при постоянных Э и соответственно их рав ных потенциалах ионизации атома Э ) ( Э iЕ , изменяются X(F,Cl,Br,I), потен циалы ионизации молекул Э Н E и углы α. Если ввести величину Э Н E Е Е Э i − = ∆ , т.е. разность первых потенциалов ионизации центрального атома Э и мо лекулы ЭХ3 и рассмотреть зависимость от α, то все тригалогениды (производные Bi не рассматриваются) описываются функцией вида: α ⋅ + − = − = ∆ В А э н E э i E E 14 , 419 .0 , 980 .0 ) 272 . 100 ( 638 .0 638 .0 015 . 64 Эн = ± = = − − = + − = − = ∆ n S r E Э i Е Е α α , (1) В [21] приведены значения валентных углов возбужденных молекул * 3 PF (α=110°) и * 3 PCl (α=111°), полученные из анализа спектров поглоще ния галогенидов фосфора, в области дальнего УФ (λmax для PF3 – 1564 o A ,
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 4 PCl3 - 1750 o A ). Эти переходы связаны с возбуждением НЭП фосфора. Выражая энергию возбуждения δE в эВ можно рассчитать P H E для * 3 PF и * 3 PCl относительно основного состояния PF3 и PCl3. Так для * 3 PF E E PF E Э H Э H δ − = ) ( * 3 δE= hν = λ hc =7.93 эВ, где h - постоянная Планка, с = 3⋅108 м/с. Т.е. эВ эВ эВ Е Е PF E Э Н Э H 37 .4 93 .7 30 . 12 ) ( * 3 = − = − = δ Для * 3 PCl ) ( * 3 PCl EЭ H =3.43 эВ. 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 (2) (1) o+ α 0 ∆Ε,ýÂ Sb(CH3)3 As(CH3)3 P(CH3)3 N(CH3)3 SbBr3 AsCl3 AsBr3 PBr3 SbI3 PI3 NF3 PCl3 AsI3 SbCl3 PF3 AsF3 SbF3 NCl3 PF3 * PCl3 * Рисунок . Зависимости величин Е ∆ от углов α: 2 – для ЭHgl3 (Э =N,P,As,Sb); 1 – для ЭМе3. С учетом данных для возбужденных молекул * 3 PF и * 3 PCl функция зависимости будет -0,642 = ) (100,265 -0,642 = 0,642 + -64,340 = E α α α ∆ ∆ (2) .
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 5 На рисунке приведена зависимость Э H Э i E E E − = ∆ от α для всех 16 соединений ЭHgl3, включая * 3 PF и * 3 PCl . Из него видно, что общая функ ция E ∆ от α хорошо описывается единой прямой (2). Данные для иона + 3 PF (α=120°), для которого 0 = P H E [21], тоже укладываются на эту прямую. Общая зависимость Э H Э i E E E − = ∆ от α для всех 17 соединений ЭHgl3, включая + 3 PF , * 3 PF и * 3 PCl так же описывается единой прямой вида ) 32 , 100 ( 584 ,0 584 ,0 588 , 58 α α − − = + − = − = ∆ Э H Э i E E E (3) 0.991 r = , 540 .0 S0 ± = , 17 n = . и близка к формуле (1) для ) (ЭHgl3 . Вместе с тем необходимо отметить, что для отдельных рядов ЭF3, ЭCl3, ЭBr3 и ЭI3 коэффициенты В в уравнении (1) будут различаться и равны соответственно для: α 734 ,0 505 , 73 3 + − = ∆E ЭF α 569 ,0 163 , 57 3 + − = ∆E ЭCl α 685 ,0 698 , 68 3 + − = ∆E ЭBr α 565 ,0 181 , 56 3 + − = ∆E ЭI Но среднее их значение равно приведенному в формуле (1) 0,638 для всех 14 соединений. На этом же рисунке приведена прямая для триметилпроизводных ЭМе3 (5 ряд, исключая Bi), которая описывается функцией .4 , 151 .0 , 999 .0 ) 646 , 93 ( 370 .0 370 .0 649 . 34 0 Э Н = ± = = − − = + − = − = ∆ n эВ S r E Е Е Э i α α (4). Прямая зависимости ∆Е от α для 16 соединений с заместителями Х=Me,H,Ph и Si для рядов 5,6,7,8 (включая ионы + 3 PH (α=119.7°), + 3 AsH (α=118.9°), + 3 SbH (α=118.1°) [22]), так же описывается близкой к (4) функцией:
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 6 . 16 , 611 .0 , 988 .0 ) 491 . 94 ( 381 .0 381 .0 001 . 36 0 = ± = = − − = + − = − n S r E E Э H Э i α α Во всех обсуждаемых молекулах вида ЭХ3 (исключая N(C6H5)3 и N(SiH3)3 ) как при замещении атома Э, так и при изменении заместителей Х мерой зависимости изменения угла α является разность ∆ Э Н - E E E Э i = . По величинам коэффициентов В при углах⋅α в уравнениях (2) и (4) все обсуж даемые соединения можно разделить на две различающиеся группы: к пер вой относятся тригалогениды, к другой X=H, CH3, C6H5, SiH3, соответст венно элементы VII- и IV- групп периодической системы. Такое деление может быть следствием различного характера СЭП для этих групп молекул [12,13]. Поэтому для соединений Э(ХR)3, где Х= O,S - элементы VI- групп периодической системы, можно ожидать значения величины В при α в формулах (1) и (4) между 0.638 и 0.370. Действительно для прямой, прове денной между точками для P(OCH3)3 ( 00 .9 = Э Н E эВ, ∆Е=1,48 эВ, α =100º) [23,24] и α = 109.5º, 89 .5 = ∆ Э Н E эВ (точка пересечения функций (1) и (4)) коэффициент В равен 0.459. Таблица 2 - Экспериментальные значения первых потенциалов ионизации Э Н E (эВ) атома Э и валентных углов α в молекулах ЭХ2 Э Х O(13.61)* S(10.36) Se(9.75) Te(9.01) Э Н E α Э Н E α Э Н E α Э Н E α CH3 10.04 111.5 8.71 98.87 8.40 96.2 7.89 93.55 SiH3 11.17 144.1 9.70 97.4 9.14 96.6 8.63 - GeH3 10.40 126 9.25 98.9 8.84 94.6 8.34 - *В скобках указаны значения первых потенциалов ионизации атомов Еi э , эВ. Для рядов ЭХ2 так же наблюдаются прямолинейные зависимости Е ∆ от α. В таблице 2 приведены Э H Э i E E , и α для соединений ЭХ2, где Э=O, S, Se, Te [1,2,25-28]. Для Э(СН3)2 Э=O, S, Se, Te:
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 7 . 117 .0 , 996 .0 140 .0 111 . 12 0 ± = = + − = − S r E E Э H Э i α , для Э(SiH3)2, Э=O, S, Se: . 042 .0 , 999 .0 039 .0 146 .3 0 ± = = + − = − S r E E Э H Э i α , для Э(GeH3)2 , Э=O, S, Se 007 .0 , 999 .0 074 .0 100 .6 0 ± = = + − = − S r E E Э H Э i α . Таким образом, из изложенного вытекает, что при замещении Э и Х в рядах молекул ЭХ3 и ЭХ2, состоящих из атомов с одинаковым электрон ным окружением, аддитивной мерой изменения углов α являются разности Э H Э i E E E − = ∆ . Зависимости Э H Э i E E E − = ∆ от α для рассмотренных рядов согласуются с теорией ОЭПВО об изменении сил отталкивания электронных пар и соответственно углов α при варьировании электроотрицательности атомов Х и Э. Методика количественного учета этих изменений, описанна в [13]. Для характеристики относительных энергий отталкивания НЭП и СЭП в [13] введён параметр 2 1 r r R = , где r1 и r2 эффективные расстояния от центра атома Э до точечных НЭП и СЭП. В расчетах r2 принято равным 1. Вели чина R связана с отношением расстояний между двумя СЭП и между СЭП и НЭП d12/d22 и соответственно с энергиями отталкивания электронных пар на валентной оболочке U12 и U22 [13]. В [13] приведены зависимости вален тных углов от отношения эффективных длин связей 2 1 r r R для тетраэ дрических соединений типа (НЭП)ЭХ3, рассчитанных по функции n n ij n ij n ij ij Xr a d a U − − = = ∑ ∑ (5),
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 8 для n=1, 6 и 12. Из них следует, что при приближении к правильному тетраэдру R увеличивается до единицы. В равновесном состоянии, когда отталкивания всех НЭП и СЭП выравниваются (при α=109.5°) R=1. Зависимости углов α от R в рассматриваемом диапазоне углов α (110÷95) при любом n прямолинейны. Сопоставление приведенных в [13] численных значений для 13соединений (ЭHlg3) (Э=N,P,As,Sb; X=F,Cl,Br,I) для n=6, указывает на прямолинейную зависимость между R и α . 13 , 008 .0 , 999 .0 0434 .0 751 .3 0 = ± = = + − = n S r R α (6) Из сопоставления функций (1) и (6) следует, что изменение разности потенциалов ионизации ∆Е и R, характеризующие относительные энергии отталкивания электронных пар на валентной оболочке, в соединениях (ЭHlg3) прямо пропорциональны R E E E Э H Э i 700 . 14 874 .8 + − = − = ∆ (7). Зависимость (7) связывает параметры характеризующие относи тельные энергии НЭП. С одной стороны ∆Е экспериментальное значение, с другой - R теоретически рассчитанная величина по формуле (5) . На рисунке прямая для триметилпроизводных ЭМе3 (функция 4) расположена с меньшим углом наклона. Т.е. варьирование угла α на единицу приводит к меньшему изменению ∆Е (∂(∆Е)/∂α) по сравнению с ЭHlg3. Вместе с тем, для ряда ЭМе3 абсолютные величины энергий Э Н E меньше (таблица1), а ∆Е - больше. Известно, что метильные заместители являются донорами по сравнению с галогенами. Согласно [12, 13] по модели ОЭПВО СЭП связи Э-Ме расположен к центральному атому ближе, чем в связи Э-Hlg. Более близкое расположение электронных доменов описываются функцией (5) с большим значением степени n. При жестком контакте n→∞ . Поэтому можно предположить, что для рядов ЭМе3, ЭPh3, Э(SiH3)3, т.е. для
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 9 заместителей Х четвертой группы периодической системы, и ЭH3 для описания геометрии молекул в формуле (5) нужно использовать величину n>6, которая была использована в [13] для обсуждения рядов ЭHlg3. Для всех функций R от α, приведенные для ЭHlg3 в [13], в диапазоне обсуждаемых углов α зависимости прямолинейны. При этом для фиксированного угла α увеличение значения степени n соответствует большему R, т.е. выталкивание НЭП от центрального атома Э увеличивается при переходе от ЭHlg3→ЭМе3. Вместе с тем величина изменения R при варьировании на единицу угла α (∂R/∂α) при увеличении степени n в функции (5) уменьшается. Таким образом наблюдается полная аналогия между экспериментальной ∂(∆Е)/∂α и теоретической (∂R/∂α) величинами. Прямолинейные корреляции ∆Е от R типа уравнения (7) будут наблюдаться для всех степеней п, у которых часть кривой в диапазоне углов 95÷110° имеет прямолинейную зависимость α от R [13]. Приведенные выше рассуждения свидетельствуют, что динамику изме нений величины ∆Е в различных рядах можно объяснить силами оттал кивания электронных пар на валентной оболочке по формуле (5), а разную их зависимость от α увеличением степени п при переходе ЭHlg3 к ЭМе3 . Центральной точкой на графике зависимостей R от α является зна чение R, соответствующее углу α=109.5° [13]. При расчете по функции (5) для любого значения степени п при α=109.5° R=1 [13]. Т.е. взаимное отталкивание НЭП и СЭП будут одинаковы. Сами же прямые на функ циональной зависимости, расположенные под разными углами (для нерав ных степеней п) показывают различную степень изменения СЭП при заме не атомов Х и Э и соответственно неодинаковые изменения углов α, кото рые определяется взаимными отталкиваниями СЭП с СЭП и СЭП с НЭП. Если предположение об изменении ∆Е зависимостью (5) с различными
Научный журнал КубГАУ, №95(01), 2014 года http://ej.kubagro.ru/2014/01/pdf/56.pdf 10 значениями степени п для соответствующих рядов правильно, то экспе риментальные прямые 1 и 2 на рисунке должны пересекаться в точке, близкой к α=109.5°. Из рисунка следует, что эти прямые действительно пересекаются в области α≈109.5°. Аналитическое решение двух уравнений 1 и 4 для рядов тригалогенидов и триметилпроизводных дает для точки пересечения ∆Е=+5.89 эВ, α=109.6°. Согласно представлениям квантово-химической теории валентности при варьировании угла α при центральном атоме, следует ожидать также изменения степени гибридизации s- и p- орбиталей [5]. Известно, что для интерпретации ДМ фосфинов, арсинов и аминов используют валентное состояние Э(t2 нэп, t, t, t) [5]. Орбиталь tнэп находят из требования ортогональ ности к орбиталям t, направленным по линиям связей между ядрами. Например, для фосфора ) 3 ( ) 3 ( p B s A tнэп + = , где .1 , 1 , ) cos )/(1 2cos (1 2 2 2 2 2 = + − = + = B A из А B A α α Процентное соотношение вкладов s- и p – орбиталей в гибридную t2 нэп орбиталь, в зависимости от углов α в диапазоне 90-1200 варьируется от 0 до 100%. Если рассматривать разность B2(3p) - A2(3s) как функцию от величины угла α, то в диапазоне углов α = 95-109.5° зависимость близка к прямой: 145 .3 , 997 .0 ) 91 . 101 ( 19 .7 ) 3 ( ) 3 ( 0 2 2 = = − − = − S r s A p B α (8). Эта прямая аналогична уравнению (1). При этом В2-А2=0 при α=101.9°. Углы α при ∆Е=0 и В2-А2=0 в уравнениях (1) и (8) близки. Этот угол (α=101.5°) соответствует максимальному значению дипольного момента µнэп при изменении гибридизации с участием s и p-орбиталей в соотношении 50/50% [5]. При этом из [13] углу 101.5° соответствует R=0.65. Из сопоставления двух зависимостей R(α) и ) ( 2 2 α f А B = − точки