Пространственное строение частиц
Модель отталкивания электронных пар
Почему молекула воды угловая, а молекула углекислого газа линейная? Ответ помогает найти модель отталкивания электронных пар валентной оболочки центрального атома, сокращённо ОЭПВО (по-английски VSEPR). Согласно этой модели, электронные области отталкиваются и располагаются вокруг центрального атома как можно дальше друг от друга.
Электронной областью считают каждую связь центрального атома с другим атомом или его неподелённую электронную пару. Любая связь — одинарная, двойная или тройная — занимает одну область. Сначала нужно подсчитать число областей, а затем определить их расположение:
| Число областей | Расположение областей | Характерные углы между областями | Пример без неподелённых пар |
|---|---|---|---|
| 2 | Области расположены линейно. | 180° | \(\ce{BeCl2}\) (пар), \(\ce{CO2}\) |
| 3 | Области направлены к вершинам плоского треугольника. | 120° | \(\ce{BF3}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{NO3-}\) |
| 4 | Области направлены к вершинам тетраэдра. | 109,5° | \(\ce{CH4}\), \(\ce{NH4+}\), \(\ce{SO4^2-}\) |
| 5 | Области направлены к вершинам тригональной бипирамиды. | 90° и 120° | \(\ce{PCl5}\) (газ) |
| 6 | Области направлены к вершинам октаэдра. | 90° | \(\ce{SF6}\), \(\ce{PCl6-}\) |
Подсчёт областей задаёт их общее расположение, но реальные углы между связями могут отличаться от идеальных. Электронная плотность неподелённой пары сосредоточена около центрального атома, тогда как связывающая пара распределена между двумя атомами. Поэтому неподелённая пара сильнее отталкивает соседние области и уменьшает угол между связями. Например, у \(\ce{CH4}\) угол равен 109,5°, у \(\ce{NH3}\) — 107°, а у \(\ce{H2O}\) — 104,5°. Кратная связь занимает больше места и сильнее отталкивает соседние области, хотя при подсчёте она остаётся одной областью. В угловой молекуле \(\ce{SO2}\) угол составляет 119°, а в \(\ce{O3}\) — 117°.
history_eduИстория модели ОЭПВО
Идею предложили Невил Сиджвик и Герберт Пауэлл в 1940 году. Рональд Гиллеспи и Рональд Найхолм в 1957 году превратили её в стройную систему. Модель позволяет предсказывать форму сотен молекул без расчётов квантовой механики, хотя сложные расчёты точнее определяют геометрические параметры. Гиллеспи много лет добивался изучения модели уже на первом курсе и написал для этого учебники.
errorРасположение областей и форма частицы
Форму частицы описывают по положению её атомов, а не неподелённых пар. У \(\ce{NH3}\) вокруг азота находятся четыре области: три связи и одна неподелённая пара. Области направлены к вершинам тетраэдра, но атомы образуют треугольную пирамиду. У \(\ce{H2O}\) области тоже расположены тетраэдрически, а форма молекулы угловая. Поэтому вопрос о форме молекулы относится именно к положению атомов.
Молекулы с неподелёнными парами
Если вокруг центрального атома пять или шесть областей, для определения формы нужно выяснить, какие положения занимают неподелённые пары. В тригональной бипирамиде различают экваториальные и аксиальные положения. Неподелённые пары предпочитают экваториальные положения: там у каждой пары два соседних положения под углом 90°, тогда как в аксиальном положении их три.
Для краткого обозначения строения используют запись \(\ce{AX4E}\) и подобные ей. Буква A обозначает центральный атом, X — связанные с ним атомы, а E — неподелённые пары центрального атома. По числу X и E можно определить форму частицы:
| Тип | Пример | Форма частицы |
|---|---|---|
| \(\ce{AX4E}\) | \(\ce{SF4}\), \(\ce{IF4+}\) | Четыре связанных атома образуют фигуру «качели» — искажённый тетраэдр. |
| \(\ce{AX3E2}\) | \(\ce{ClF3}\), \(\ce{BrF3}\) | Связанные атомы расположены T-образно. |
| \(\ce{AX2E3}\) | \(\ce{XeF2}\), \(\ce{I3-}\), \(\ce{ICl2-}\) | Связанные атомы расположены линейно. |
| \(\ce{AX5E}\) | \(\ce{IF5}\), \(\ce{BrF5}\) | Связанные атомы образуют квадратную пирамиду. |
| \(\ce{AX4E2}\) | \(\ce{XeF4}\), \(\ce{ICl4-}\) | Связанные атомы находятся в вершинах плоского квадрата. |
Рассмотрим \(\ce{XeF4}\). У атома ксенона 8 валентных электронов: четыре участвуют в образовании связей с фтором, а остальные составляют две неподелённые пары. Всего вокруг ксенона шесть областей, расположенных октаэдрически. Неподелённые пары занимают противоположные положения, поэтому четыре атома фтора образуют плоский квадрат.
scienceРеакции галогенов и ксенона с участием фтора
- \(\ce{Cl2 + 3F2 ->[280^\circ C] 2ClF3}\) — при взаимодействии хлора с фтором образуется трифторид хлора; его молекула имеет T-образную форму, а само вещество является одним из самых агрессивных фторирующих агентов.
- \(\ce{4ClF3 + 3SiO2 -> 3SiF4 + 2Cl2 + 3O2}\) — трифторид хлора реагирует даже с песком и стеклом, содержащими оксид кремния, и может вызвать их воспламенение.
- \(\ce{I2 + KI -> KI3}\) — при взаимодействии иода с иодидом калия образуется соединение с линейным трииодид-ионом \(\ce{I3-}\); образование этого иона позволяет растворять иод в воде.
- \(\ce{6XeF4 + 12H2O -> 2XeO3 + 4Xe + 3O2 + 24HF}\) — при гидролизе тетрафторида ксенона образуются оксид ксенона, ксенон, кислород и фтороводород.
auto_awesomeТрифторид хлора и негорючие материалы
Трифторид хлора способен воспламенять дерево, ткань, асбест, бетон и песок, которые обычно не считают горючими материалами. В справочниках приводят историю о тонне \(\ce{ClF3}\), пролившейся на бетонный пол цеха: вещество прожгло около 30 сантиметров бетона и почти метр гравия под ним. Трифторид хлора хранят в стальных баллонах, поскольку на их стенках образуется защитная плёнка фторида железа.
Геометрия и свойства
Знание формы частицы помогает объяснять её свойства. Например, связи в \(\ce{CO2}\), \(\ce{BF3}\), \(\ce{CCl4}\), \(\ce{SF6}\) и \(\ce{XeF2}\) полярны. Однако эти симметричные молекулы в целом неполярны, поскольку дипольные моменты их связей взаимно компенсируются (урок 23). Расположение связанных атомов важно и при рассмотрении пространственных изомеров. В тригональной бипирамиде \(\ce{PF3Cl2}\) атомы хлора занимают экваториальные положения; для вещества указывают один устойчивый вариант пространственного строения.
Строение частиц одного вещества может различаться в разных агрегатных состояниях. В газе пентахлорид фосфора состоит из молекул \(\ce{PCl5}\), а его кристалл имеет ионное строение: в нём находятся тетраэдрические ионы \(\ce{[PCl4]+}\) и октаэдрические ионы \(\ce{[PCl6]-}\). Кристаллический пентабромид фосфора устроен иначе: его состав выражается формулой \(\ce{[PBr4]+Br-}\).
scienceГеометрия частиц и реакции
- \(\ce{2PCl5 (тв) -> [PCl4]+[PCl6]-}\) — в твёрдом состоянии пентахлорид фосфора имеет ионное строение: он состоит из тетраэдрических катионов \(\ce{[PCl4]+}\) и октаэдрических анионов \(\ce{[PCl6]-}\).
- \(\ce{BF3 + F- -> BF4-}\) — при присоединении фторид-иона к плоскому \(\ce{BF3}\) образуется тетраэдрический ион.
- \(\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\) — при присоединении протона треугольная пирамида превращается в правильный тетраэдр с углом 109,5°.
- \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\) — при взаимодействии плоской молекулы \(\ce{SO3}\) с водой образуется серная кислота, в которой группа \(\ce{SO4}\) имеет тетраэдрическое строение.
auto_awesomeИнверсия молекулы аммиака
Треугольная пирамида \(\ce{NH3}\) способна выворачиваться: атом азота проходит через плоскость трёх атомов водорода. Такое изменение формы называют инверсией. В аммиаке оно происходит около 24 миллиардов раз в секунду; соответствующая частота находится в микроволновом диапазоне. Используя этот переход, Чарлз Таунс в 1954 году построил мазер — предшественник лазера, а позже получил Нобелевскую премию по физике.
push_pinГлавное
Чтобы предсказать форму частицы, сначала подсчитывают электронные области центрального атома: каждую связь и каждую неподелённую пару. Две области располагаются линейно, три — в вершинах треугольника, четыре — тетраэдра, пять — тригональной бипирамиды, шесть — октаэдра. Затем форму определяют по положению атомов: \(\ce{NH3}\) имеет форму пирамиды, \(\ce{H2O}\) — угловую, \(\ce{SF4}\) — форму «качелей», \(\ce{ClF3}\) — T-образную, \(\ce{XeF2}\) — линейную, а \(\ce{XeF4}\) — форму квадрата. Неподелённые пары сильнее отталкивают соседние области, поэтому угол между связями уменьшается от 109,5° у \(\ce{CH4}\) до 104,5° у \(\ce{H2O}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.