Пространственное строение частиц
Модель отталкивания электронных пар
Почему молекула воды угловая, а углекислого газа — линейная? Простая и удивительно надёжная модель: электронные пары валентной оболочки центрального атома отталкиваются и располагаются как можно дальше друг от друга. Её называют моделью ОЭПВО (по-английски VSEPR).
Считаем электронные области центрального атома: каждая связь (одинарная, двойная или тройная — всё равно одна область) и каждая неподелённая пара. Их число задаёт расположение:
| Областей | Расположение | Угол между областями | Пример без неподелённых пар |
|---|---|---|---|
| 2 | линейное | 180° | \(\ce{BeCl2}\) (пар), \(\ce{CO2}\) |
| 3 | треугольник | 120° | \(\ce{BF3}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{NO3-}\) |
| 4 | тетраэдр | 109,5° | \(\ce{CH4}\), \(\ce{NH4+}\), \(\ce{SO4^2-}\) |
| 5 | тригональная бипирамида | 90° и 120° | \(\ce{PCl5}\) (газ) |
| 6 | октаэдр | 90° | \(\ce{SF6}\), \(\ce{PCl6-}\) |
Неподелённая пара принадлежит одному атому и прижата к нему, поэтому занимает больше места, чем пара связи, и «раздвигает» соседей. Отсюда убывание углов: \(\ce{CH4}\) 109,5°, \(\ce{NH3}\) 107°, \(\ce{H2O}\) 104,5°. Кратная связь тоже «толще» одинарной: в \(\ce{SO2}\) угол 119°, в \(\ce{O3}\) — 117°.
history_eduМодель, придуманная на доске
Идею предложили Невил Сиджвик и Герберт Пауэлл в 1940 году, а в стройную систему свели Рональд Гиллеспи и Рональд Найхолм в 1957 году. Модель не требует квантовой механики и считается «на пальцах», но предсказывает форму сотен молекул не хуже сложных расчётов. Гиллеспи много лет добивался, чтобы её изучали уже на первом курсе, и написал для этого учебники.
errorРасположение областей и форма — разные вещи
У аммиака четыре области (три связи и пара) — тетраэдр, но форму описывают по атомам: треугольная пирамида. У воды тоже тетраэдр областей, а форма — угловая. Вопрос «какова форма молекулы» всегда о положении атомов.
Молекулы с неподелёнными парами
При пяти и шести областях важно, куда встают неподелённые пары. В тригональной бипирамиде пары занимают экваториальные позиции: там у них лишь два соседа под углом 90°, а в аксиальной позиции — три.
| Тип | Пример | Форма |
|---|---|---|
| \(\ce{AX4E}\) | \(\ce{SF4}\), \(\ce{IF4+}\) | «качели» (искажённый тетраэдр) |
| \(\ce{AX3E2}\) | \(\ce{ClF3}\), \(\ce{BrF3}\) | T-образная |
| \(\ce{AX2E3}\) | \(\ce{XeF2}\), \(\ce{I3-}\), \(\ce{ICl2-}\) | линейная |
| \(\ce{AX5E}\) | \(\ce{IF5}\), \(\ce{BrF5}\) | квадратная пирамида |
| \(\ce{AX4E2}\) | \(\ce{XeF4}\), \(\ce{ICl4-}\) | плоский квадрат |
Здесь A — центральный атом, X — связанные атомы, E — неподелённые пары. Например, в \(\ce{XeF4}\) у ксенона 8 электронов: четыре идут на связи с фтором, две пары остаются. Шесть областей — октаэдр; пары встают напротив друг друга, и четыре атома фтора образуют квадрат.
scienceГалогены и ксенон со фтором
- \(\ce{Cl2 + 3F2 ->[280^\circ C] 2ClF3}\) — трифторид хлора, T-образная молекула и один из самых агрессивных фторирующих агентов.
- \(\ce{4ClF3 + 3SiO2 -> 3SiF4 + 2Cl2 + 3O2}\) — он поджигает даже песок и стекло.
- \(\ce{I2 + KI -> KI3}\) — линейный трииодид-ион \(\ce{I3-}\): так иод растворяют в воде.
- \(\ce{6XeF4 + 12H2O -> 2XeO3 + 4Xe + 3O2 + 24HF}\) — гидролиз тетрафторида ксенона.
auto_awesome«Горит всё, даже огнетушитель»
Трифторид хлора воспламеняет дерево, ткань, асбест, бетон и песок — всё, что обычно тушит пожар. В справочниках приводят историю о тонне \(\ce{ClF3}\), пролившейся на бетонный пол цеха: она прожгла около 30 сантиметров бетона и почти метр гравия под ним. Хранят его в стальных баллонах: на стенках образуется плёнка фторида железа, которая защищает металл.
Геометрия и свойства
Форма частицы определяет её свойства. Симметричные молекулы с полярными связями — \(\ce{CO2}\), \(\ce{BF3}\), \(\ce{CCl4}\), \(\ce{SF6}\), \(\ce{XeF2}\) — в целом неполярны: дипольные моменты связей взаимно гасятся (урок 23). Форма объясняет и число изомеров: в тригональной бипирамиде \(\ce{PF3Cl2}\) атомы хлора встают в экватор, и изомер у вещества один.
Бывает, что вещество меняет «форму» вместе с агрегатным состоянием. Пентахлорид фосфора в газе — молекулы \(\ce{PCl5}\), а в кристалле — соль из ионов \(\ce{[PCl4]+}\) (тетраэдр) и \(\ce{[PCl6]-}\) (октаэдр). Пентабромид фосфора в кристалле — \(\ce{[PBr4]+Br-}\).
scienceГеометрия меняется в реакциях
- \(\ce{2PCl5 (тв) -> [PCl4]+[PCl6]-}\) — в кристалле пентахлорид фосфора ионный.
- \(\ce{BF3 + F- -> BF4-}\) — плоский треугольник становится тетраэдром.
- \(\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\) — пирамида становится правильным тетраэдром, угол 109,5°.
- \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\) — плоская молекула \(\ce{SO3}\) превращается в тетраэдрическую группу \(\ce{SO4}\).
auto_awesomeМолекула-зонтик
Пирамида аммиака выворачивается «наизнанку», как зонтик на ветру: атом азота проходит через плоскость трёх водородов. Для аммиака это происходит около 24 миллиардов раз в секунду — частота попадает в микроволновый диапазон. На этом переходе Чарлз Таунс в 1954 году построил мазер — предшественник лазера, — а позже получил Нобелевскую премию по физике.
push_pinГлавное
Электронные области (связи и неподелённые пары) у центрального атома располагаются как можно дальше друг от друга: 2 — линейно, 3 — треугольником, 4 — тетраэдром, 5 — тригональной бипирамидой, 6 — октаэдром. Форма частицы определяется только положением атомов: \(\ce{NH3}\) — пирамида, \(\ce{H2O}\) — угол, \(\ce{SF4}\) — «качели», \(\ce{ClF3}\) — T-образная, \(\ce{XeF2}\) — линейная, \(\ce{XeF4}\) — квадрат. Неподелённые пары занимают больше места: угол падает от 109,5° у \(\ce{CH4}\) до 104,5° у \(\ce{H2O}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.