Молекулярная геометрия и теория ВЕСЗР

Молекулярная геометрия — это важное понятие в химии, описывающее трехмерное расположение атомов в молекуле. Она важна, потому что влияет на многие физические свойства молекулы, пути реакции и взаимодействие с другими молекулами. Одной из широко используемых моделей для прогнозирования молекулярной геометрии является теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (ВЕСЗР). Эта теория помогает химикам понять пространственное расположение атомных компонентов соединений на основе отталкивания между электронными парами в валентных оболочках атомов.

Понимание молекулярной геометрии

Прежде чем углубляться в теорию ВЕСЗР, давайте поймем, почему молекулярная геометрия важна. Когда атомы объединяются, чтобы образовать молекулы, их электронные облака перекрываются, и это определяет, как атомы расположены в пространстве относительно друг друга. Пространственное расположение, или геометрия, молекулы влияет на ее физические и химические свойства, такие как точка кипения и плавления, полярность и взаимодействие с другими молекулами. Например, разница в точке кипения между водой (H2O) и сероводородом (H2S) может быть объяснена их молекулярной геометрией.

Теория ВЕСЗР: основы

ВЕСЗР означает теорию отталкивания электронных пар валентной оболочки. Она утверждает, что электронные пары вокруг центрального атома будут располагаться как можно дальше друг от друга, чтобы минимизировать отталкивание между этими парами. Теория учитывает как связующие электроны, которые делятся между атомами, так и неподеленные пары, которые локализованы на одном атоме. Наличие неподеленных пар может значительно повлиять на геометрию молекулы, поскольку они занимают пространство и сильнее отталкивают другие электронные группы, чем связующие пары.

Применение теории ВЕСЗР

При прогнозировании геометрии молекулы с использованием теории ВЕСЗР выполняются следующие шаги:

1. Посчитайте общее количество валентных электронов в молекуле.
2. Определите расположение электронных пар (как связывающих, так и неподеленных) таким образом, чтобы минимизировать отталкивание между ними.
3. Идентифицируйте результирующую молекулярную форму на основе положения связанных атомов.

Давайте рассмотрим некоторые распространенные молекулярные геометрии и связанные модели ВЕСЗР:

Линейная геометрия

В линейной геометрии центральный атом окружен двумя парами электронов под углом 180 градусов. Это типично для молекул с формулой AX2, где A — центральный атом, а X — окружающие атомы. Примером этого является углекислый газ (CO2).

      OCO
    

В этом примере молекула линейна с углом связи 180 градусов.

Плоская треугольная геометрия

В молекулах плоской треугольной формы центральный атом окружен тремя электронными парами под углом 120 градусов. Типичный пример этого — трифторид бора (BF3).

                F
               ,
          F - B
               ,
                F
    

Тетраэдрическая геометрия

В тетраэдрической геометрии центральный атом окружен четырьмя связующими парами. Примером этого является метан (CH4). Углы связи составляют примерно 109,5 градусов.

          H
          ,
      H – C – H
          ,
          H
    

Это расположение минимизирует отталкивание и достигает симметрии.

Тригонометрическая бипирамидальная геометрия

Эта геометрия наблюдается в молекулах с пятью областями плотности электронов. Примером является пентахлорид фосфора (PCl5). Эта структура состоит из трех экваториальных связей под углом 120 градусов и двух осевых связей под углом 90 градусов.

             Хлор
             ,
      Cl – P – Cl
             ,
         cl cl
    

Октаэдрическая геометрия

В октаэдрической геометрии центральный атом окружен шестью связывающими парами с углами 90 градусов. Примером этого является гексафторид серы (SF6).

            F
            ,
        F - S - F
            ,
            F
         FF
    

Эффект неподеленных пар

Неподеленные пары оказывают значительное влияние на молекулярную геометрию. Они занимают больше пространства, чем связывающие пары, что может уменьшить угол связи между соседними атомами. Это часто приводит к отклонениям от идеальных углов. Проиллюстрируем это на примере молекулы воды (H2O).

                H
               ,
          Hey
               ,
                H
    

Вода не является линейной молекулой, хотя ее формула подобна CO2. Вместо этого расположение "изогнуто" с углом связи около 104,5 градусов из-за двух неподеленных пар на кислороде.

Искаженная геометрия: примеры и объяснения

Рассмотрим молекулы с искаженными геометриями из-за неподеленных пар:

• Аммиак (NH3): Его геометрия — тригональная пирамидальная. Неподеленная пара уменьшает угол связи до примерно 107 градусов, меньше идеального 109,5 градусов.

                H
               ,
          H–N
               ,
                H
    

• Тетрафторид серы (SF4): Геометрия колеблется из-за неподеленной пары. Осевые и экваториальные углы связи меньше идеальных.

                 F
                 ,
          F - S - F
                 ,
                F
                  F
    

Роль электроотрицательностей и дипольного момента

Форма молекул влияет на распределение электроотрицательностей и дипольный момент. Молекулы вроде CO2 неполярны, потому что их симметричное расположение компенсирует индивидуальные диполи связей. Однако изогнутая форма, как у H2O, приводит к наличию результирующего дипольного момента, что делает молекулу полярной.

Заключение

Понимание молекулярной геометрии через теорию ВЕСЗР является основополагающим в химии. Прогнозирование форм помогает химикам предсказывать реакционную способность, физические свойства и поведение при взаимодействии с другими химическими видами. Учитывая связи и неподеленные пары, а также их отталкивание, можно получить ясную картину молекулярного мира.

Комментарии