§ 9. Пространственное строение молекул

Определения и обозначения

Пространственное строение молекулы — это взаимное расположение её атомов в пространстве. Одинаковая формула состава не всегда сообщает, как именно атомы расположены и под каким углом соединены. Поэтому для полного описания молекулы учитывают не только число атомов, но и её форму.

Валентный угол — угол между направлениями связей, исходящих от одного атома. Например, в H₂O это угол между двумя связями O–H. Он помогает численно описать геометрию молекулы и сравнить формы веществ.

Электронная пара — два электрона, общие для атомов в ковалентной связи или принадлежащие одному атому и не участвующие в связи. Первые называют связывающими, вторые — неподелёнными. Учитывают обе разновидности, потому что они занимают пространство и отталкиваются друг от друга.

Геометрия молекулы — её пространственная форма, определяемая расположением атомов относительно центрального атома. Если атомы лежат на одной прямой, форма линейная; при двух связях и неподелённых парах возможна угловая форма, а три связи с одной неподелённой парой дают пирамидальную. Такое описание позволяет отличать форму атомов от расположения всех электронных пар.

Как это устроено

Электронные пары имеют одинаковый заряд, поэтому отталкиваются. Чем ближе они расположены, тем сильнее это взаимодействие; система стремится уменьшить его, разводя пары как можно дальше друг от друга. Именно это стремление задаёт основу пространственной формы, хотя точные углы могут немного отличаться из-за разного характера пар.

Чтобы предсказать форму, сначала находят центральный атом — обычно тот, который связан с несколькими другими атомами. Затем считают области электронной плотности вокруг него: каждая связь считается одной областью, независимо от того, одинарная она, двойная или тройная. Каждая неподелённая пара тоже образует отдельную область, поскольку занимает место вокруг центрального атома и участвует во взаимном отталкивании.

После подсчёта областей важно разделить геометрию электронных пар и геометрию атомов. Неподелённая пара не соединяет центральный атом с другим атомом, поэтому её не включают в форму молекулы. Однако она занимает пространство и отталкивает связывающие пары, из-за чего меняются направления связей и сама форма атомного каркаса.

Четыре области электронной плотности располагаются приблизительно в направлениях к вершинам тетраэдра. Если все четыре области — связывающие, атомы повторяют эту геометрию, как в CH₄. Когда часть областей занята неподелёнными парами, атомов в соответствующих направлениях нет; оставшиеся атомы образуют иную форму, а валентные углы изменяются.

В CO₂ у углерода две области — две двойные связи, поэтому они направлены в противоположные стороны и молекула линейная. В NH₃ три связи и одна неподелённая пара: четыре области ориентированы примерно тетраэдрически, но три атома водорода образуют пирамиду. В H₂O у кислорода две связи и две неподелённые пары; атомы водорода образуют угловую молекулу, поскольку пары занимают два других направления и сильнее отталкивают связи.

Электронные пары и пространственная форма молекул

Сначала сравните число областей и неподелённых пар, а затем — геометрию атомов и валентный угол. Таблица показывает, что одинаковое число областей не обязательно означает одинаковую форму молекулы. Углы приведены приблизительно: они могут немного зависеть от конкретного вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определите форму молекулы CO₂, если атом углерода образует две двойные связи с атомами кислорода. Нужно понять, сколько областей электронной плотности находится у углерода. По числу этих областей можно предсказать их взаимное расположение и форму молекулы.

1. Находим центральный атом: это углерод, связанный с двумя атомами кислорода.
2. Считаем области: каждая двойная связь C=O — одна область, всего их две.
3. Две области располагаются в противоположных направлениях, чтобы отталкивание было минимальным.
4. Атомы кислорода лежат на одной прямой по разные стороны от углерода.

Ответ: молекула CO₂ линейная, угол O–C–O составляет примерно 180°.

Задача 2. Определите геометрию NH₃ и H₂O, указав число неподелённых пар у центрального атома. Здесь важно не принять расположение всех электронных пар за форму, образованную атомами. Сравним число связей и неподелённых пар у азота и кислорода.

1. В NH₃ центральный атом — азот; у него три связи N–H и одна неподелённая пара, всего четыре области.
2. Четыре области ориентированы приблизительно тетраэдрически, но атомами водорода заняты только три направления.
3. В H₂O центральный атом — кислород; две связи O–H и две неподелённые пары также дают четыре области.
4. В молекуле воды атомы водорода занимают два направления, поэтому их расположение угловое.

Ответ: NH₃ имеет пирамидальную форму и одну неподелённую пару у азота; H₂O угловая и содержит две неподелённые пары у кислорода.

Задача 3. Сравните пространственное строение CH₄, NH₃ и H₂O и объясните различие валентных углов. Во всех трёх случаях вокруг центрального атома четыре области электронной плотности, поэтому исходное расположение областей близко к тетраэдрическому. Разница появляется из-за того, что часть областей занята неподелёнными парами.

1. В CH₄ четыре связывающие пары; они отталкиваются примерно одинаково, и угол H–C–H равен около 109,5°.
2. В NH₃ одна из четырёх областей — неподелённая пара, которая сильнее отталкивает связывающие пары; угол H–N–H уменьшается примерно до 107°.
3. В H₂O две области заняты неподелёнными парами. Их отталкивание сильнее сжимает угол между связями O–H, и он составляет около 104,5°.

Ответ: формы молекул — тетраэдрическая у CH₄, пирамидальная у NH₃ и угловая у H₂O; валентный угол уменьшается с увеличением числа неподелённых пар.

Типичные ошибки

Ошибка: считать двойную связь двумя областями электронной плотности. Её допускают, потому что в структурной формуле двойная связь изображена двумя чертами. Для определения направления областей любую связь — одинарную, двойную или тройную — считают одной; проверить себя можно, отдельно сосчитав связи между центральным атомом и соседними атомами.

Ошибка: определять форму молекулы по всем электронным парам, включая неподелённые. Так путают геометрию электронных пар с расположением атомов, поскольку обе описывают пространство вокруг центрального атома. Проверка проста: назовите направления, в которых находятся именно атомы, и не включайте неподелённую пару в название формы.

Ошибка: игнорировать неподелённые пары центрального атома. Тогда NH₃ могут ошибочно назвать плоской, а H₂O — линейной, если учитывать только число связей. Перед выводом о форме проверьте, есть ли у центрального атома неподелённые пары: их наличие меняет расположение атомов и углы между связями.

Ошибка: считать валентные углы одинаковыми во всех молекулах с четырьмя областями. Число областей задаёт приблизительную исходную геометрию, но не отменяет разницы в отталкивании пар. Для самопроверки сравните число неподелённых пар: чем их больше, тем сильнее обычно сжимаются углы между связывающими парами.

Связь с другими темами

Чтобы рассуждать о форме молекул, нужно знать строение атома и электронных оболочек, а также понимать, как образуется ковалентная связь. Особенно важно различать общие электронные пары, образующие связи, и неподелённые пары. Знание геометрии молекулы помогает объяснять её полярность: значение имеет не только полярность связей, но и их взаимное расположение. Форма также связана с физическими свойствами веществ и особенностями протекания химических реакций.

Что запомнить

• Форма молекулы зависит от расположения электронных пар вокруг центрального атома.
• Электронные пары располагаются так, чтобы их взаимное отталкивание было минимальным.
• Связь любого кратного порядка при подсчёте областей электронной плотности считают одной областью.
• Неподелённые пары учитывают при объяснении формы, хотя в геометрию молекулы входят только атомы.
• Четыре области электронной плотности располагаются приблизительно тетраэдрически.
• Неподелённые пары обычно сильнее отталкивают связывающие пары и уменьшают валентные углы.