Номер 15, страница 61 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 2. Химическая связь и строение вещества. Параграф 8. Ковалентная химическая связь и механизмы её образования - номер 15, страница 61.

Условие.

15. Можно ли объяснить существование устойчивого соединения $SCl_6$ с помощью метода валентных связей? Объясните свою точку зрения.

Решение.

Решение 2.

С точки зрения формального подхода метода валентных связей (МВС), образование шести ковалентных связей атомом серы возможно, и, следовательно, существование молекулы $SCl_6$ можно было бы объяснить. Однако этот метод не может объяснить, почему данное соединение является неустойчивым и практически не существует, в отличие от гексафторида серы $SF_6$.

Рассмотрим электронное строение атома серы (S). Сера находится в 3-м периоде, её электронная конфигурация валентного слоя в основном состоянии: $3s^23p^4$.

В основном состоянии атом серы имеет два неспаренных электрона на p-орбиталях и, следовательно, может образовывать две ковалентные связи (например, в молекуле $SCl_2$). Для образования шести связей атому серы необходимо иметь шесть неспаренных электронов. Это достигается путем перехода атома в возбужденное состояние. Поскольку у серы есть вакантные d-орбитали на том же третьем энергетическом уровне, возможен промоушен (распаривание) электронов с s- и p-подуровней на d-подуровень.

Во втором возбужденном состоянии ($S^{**}$) один электрон с $\text{3s}$-орбитали и один электрон с $\text{3p}$-орбитали переходят на $\text{3d}$-орбитали. Электронная конфигурация валентного слоя становится $3s^13p^33d^2$. В этом состоянии у атома серы появляется шесть неспаренных электронов.

Согласно МВС, эти шесть атомных орбиталей (одна s, три p и две d) подвергаются гибридизации, образуя шесть равноценных $sp^3d^2$-гибридных орбиталей. Эти орбитали направлены к вершинам октаэдра. Каждая из них перекрывается с $\text{p}$-орбиталью атома хлора, образуя шесть $\sigma$-связей S-Cl. Таким образом, МВС предсказывает возможность существования октаэдрической молекулы $SCl_6$.

Однако, на практике соединение $SCl_6$ не получено и считается крайне неустойчивым. Метод валентных связей в своем простом виде не учитывает два ключевых фактора, которые определяют стабильность соединения:

1. Стерический фактор: Атомы хлора значительно крупнее атомов фтора (атомный радиус Cl ≈ 100 пм, F ≈ 60 пм). Разместить шесть объемных атомов хлора вокруг относительно небольшого атома серы очень сложно из-за сильного стерического отталкивания между ними. Это делает молекулу $SCl_6$ пространственно перегруженной и нестабильной.

2. Энергетический фактор: Энергия, затрачиваемая на возбуждение атома серы (переход $S \rightarrow S^{**}$), должна компенсироваться энергией, выделяющейся при образовании связей. Связь S-F (≈327 кДж/моль) значительно прочнее связи S-Cl (≈255 кДж/моль). В случае с $SF_6$ образование шести прочных связей S-F с лихвой компенсирует затраты энергии на возбуждение. В случае с $SCl_6$ энергии, выделяющейся при образовании шести более слабых связей S-Cl, недостаточно для компенсации энергии возбуждения, что делает процесс образования молекулы термодинамически невыгодным. Кроме того, высокая электроотрицательность фтора лучше стабилизирует высокую степень окисления серы (+6), чем менее электроотрицательный хлор.

Ответ: Метод валентных связей может формально объяснить возможность образования шести связей атомом серы за счет $sp^3d^2$-гибридизации и, соответственно, предсказать октаэдрическую структуру молекулы $SCl_6$. Однако он не может объяснить, почему это соединение в действительности неустойчиво, так как не учитывает стерические и энергетические факторы (размер атомов, прочность связей), которые делают существование стабильной молекулы $SCl_6$ невозможным в отличие от $SF_6$.