Молекулярная структура и геометрия (Теория ВСЭПР - основы)

Понимание молекулярной структуры и геометрии молекул является основополагающим в изучении химии. Молекулярная геометрия молекулы определяет множество свойств, таких как полярность, реактивность, агрегатное состояние, цвет, магнетизм, биологическая активность и многое другое. Для предсказания формы молекул мы полагаемся на теорию отталкивания пар электронов валентной оболочки (ВСЭПР). Эта теория полезна для предсказания геометрии молекулы на основе того, что электронные пары вокруг центрального атома расположатся как можно дальше друг от друга, чтобы минимизировать отталкивание.

Основы теории ВСЭПР

Теория ВСЭПР основана на наблюдении пар электронов вокруг центрального атома. Эти пары электронов могут быть парами связи, которые участвуют в химических связях, или неподеленными парами, которые не разделены с другими атомами. Форма любой данной молекулы может быть предсказана с учетом этих пар.

Ключевые концепции теории ВСЭПР

• Электронные пары вокруг центрального атома будут держаться как можно дальше друг от друга.
• Неподеленная электронная пара занимает больше пространства, чем связывающая пара, потому что неподеленные пары локализованы на одном атоме.
• Форма молекулы определяется количеством связывающих пар и неподеленных пар вокруг центрального атома.

Общая молекулярная геометрия

Несколько основных форм обычно описываются теорией ВСЭПР:

Линейная геометрия

Молекула будет иметь линейную геометрию, когда есть две связывающие пары и нет неподеленных пар на центральном атоме. Угол связи составляет 180 градусов. Классическим примером является углекислый газ, CO 2.

        Линейная:
        O=C=O
    

Тригранная плоская геометрия

Молекула принимает форму тригранной плоскости, когда у нее три связывающие пары и нет неподеленных пар на центральном атоме. Угол связи обычно составляет 120°. Обычным примером является трифторид бора, BF 3.

Тетраэдрическая геометрия

При тетраэдрической геометрии есть четыре связывающие пары и нет неподеленных пар на центральном атоме. Это приводит к углу связи 109,5°. Хорошо известным примером является метан, CH 4.

Угловая геометрия

Молекулы, такие как вода, H 2 O имеют угловую структуру. Это в основном потому, что на центральном атоме есть две связывающие пары и две неподеленные пары, что приводит к углу связи около 104,5 градусов.

Открытие других общих геометрий

Тригранная пирамидальная геометрия

В случае аммиака, _{NH 3}, структура является тригональной пирамидальной, так как у азота три связывающие пары и одна неподеленная пара, что приводит к углу связи примерно 107°.

Октаэдрическая геометрия

Октаэдрическая геометрия характеризуется шестью связывающими парами и отсутствием неподеленных пар на центральном атоме. Соединения такие как гексафторид серы, SF 6 демонстрируют эту модель с углом связи 90 градусов.

Понимание влияния неподеленных пар

Важным фактором в определении молекулярной формы является влияние неподеленных пар. Неподеленные пары занимают больше пространства, чем связывающие пары, отчасти потому, что они расположены вокруг одного ядра. Это дополнительное отталкивание может приводить к уменьшению углов связи по сравнению с оптимальной геометрией без неподеленных пар.

Примеры и упражнения

Чтобы углубить ваше понимание теории ВСЭПР и молекулярной геометрии, давайте рассмотрим некоторые примеры. Мы изучим несколько молекул, определим их структуры Льюиса и предскажем их геометрию на основе числа связывающих и неподеленных пар.

Пример 1: Четыреххлористый углерод (_{CCl 4})

Четыреххлористый углерод - это молекула с четырьмя атомами хлора, связанными с центральным атомом углерода. Рисование структуры Льюиса для CCl 4 показывает, что углеродный атом удовлетворяет правилу октета с четырьмя одинарными связями. Поскольку на центральном атоме нет неподеленной пары, он принимает тетраэдрическую конфигурацию с углом связи близким к 109,5 градусов.

Пример 2: Нитрит-ион (NO 2 -)

Нитрит-ион имеет резонансную структуру с двумя азотно-кислородными одинарными связями и одной азотно-кислородной двойной связью. Азот имеет неподеленную пару, что делает электронную геометрию молекулы тригональной в плоскости, с молекулярной геометрией угловой. Это пример влияния резонанса на химию, которая делает выводы из статистики электронных доменов для предсказания молекулярных форм.

Упражнение 1

Рассмотрите структуру Льюиса для формальдегида, _{CH 2 O} Определите и определите идеальную молекулярную геометрию и наличие любых неподеленных пар на центральном атоме.

        да
         ,
          C
         ,
        H
    

Решение: Структура показывает, что кислород имеет две неподеленные пары и образует тригональную планарную группу вокруг углерода формальдегида.

Вывод

Теория ВСЭПР предоставляет важную основу для предсказания молекулярной геометрии на основе отталкивания пар электронов. Хотя она упрощает сложные квантовые химические взаимодействия, она служит ценным инструментом в школьной и университетской химии.

Помните, основная идея состоит в том, что электронные пары стремятся минимизировать отталкивание и таким образом принимают определенные предсказанные структуры или геометрии. Знакомясь с молекулярными геометриями, определяемыми теорией ВСЭПР, вы сможете лучше понимать молекулярный мир!

Комментарии