§ 4. Форма молекул и межмолекулярные связи

Определения и обозначения

Форма молекулы — пространственное расположение её атомов. Её описывают по взаимному расположению ядер атомов, а не по рисунку формулы на плоскости. Понятие нужно, чтобы объяснять свойства молекулы и понимать, как её части взаимодействуют с другими частицами.

Полярная молекула — молекула с неравномерным распределением электрического заряда. Полярность зависит от полярности отдельных связей и от формы молекулы: симметрия может компенсировать действие связей. Это помогает предсказывать растворимость веществ и их притяжение друг к другу.

Межмолекулярное взаимодействие — притяжение между уже образовавшимися молекулами. Оно не создаёт состав молекулы, в отличие от химической связи, соединяющей атомы внутри неё. Различие нужно учитывать при объяснении плавления и кипения: молекулы сохраняются, но расстояние между ними увеличивается.

Водородная связь — сравнительно сильное межмолекулярное притяжение, в котором участвует атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным атомом. Обычно водород соединён с F, O или N и притягивается к электроотрицательному атому соседней молекулы. Такие связи есть, например, между молекулами воды, аммиака и фтороводорода.

Как это устроено

Электронные пары вокруг центрального атома отталкиваются, потому что имеют одинаковый отрицательный заряд. Поэтому они стараются расположиться как можно дальше друг от друга, а атомы занимают определённые направления в пространстве. Неподелённая пара тоже является областью электронной плотности, хотя не образует связи с другим атомом. Она обычно отталкивает соседние пары сильнее, чем связывающая пара, и изменяет углы между связями.

Число связей и неподелённых пар задаёт геометрию молекулы. В CO₂ у углерода две области электронной плотности, поэтому они располагаются противоположно и дают угол 180°. В H₂O у кислорода четыре области, из которых две неподелённые; они сильнее отталкивают связи, и молекула становится угловой. В NH₃ три связи и одна неподелённая пара образуют пирамидальную форму, а четыре связывающие пары в CH₄ дают тетраэдрическую форму.

Полярность связи связана с разной электроотрицательностью атомов: общая электронная пара смещается к одному из них. Но полярность молекулы определяется суммарным результатом всех таких смещений. В линейной симметричной CO₂ две полярные связи направлены в противоположные стороны и компенсируются. В угловой H₂O их направления не противоположны, поэтому у молекулы остаётся общий полярный эффект.

Молекулы притягиваются из-за электрических взаимодействий между их зарядами и временными смещениями электронной плотности. У неполярных молекул главным образом действуют слабые дисперсионные силы, возникающие из-за мгновенных диполей. Полярные молекулы дополнительно притягиваются разноимёнными частичными зарядами. Водородная связь сильнее многих обычных межмолекулярных взаимодействий, потому что маленький атом водорода оказывается между сильно электроотрицательными атомами.

Межмолекулярные силы влияют на агрегатное состояние и температуры кипения и плавления. При нагревании частицы движутся быстрее, но для их удаления друг от друга нужно преодолеть притяжение. Поэтому при близкой молярной массе вещество с более сильными взаимодействиями обычно кипит при более высокой температуре. Вода при обычных условиях остаётся жидкостью именно благодаря развитой сети водородных связей.

Форма и полярность молекул, характерные взаимодействия

Сначала по таблице определите форму, учитывая связи и неподелённые пары у центрального атома. Затем проверьте, компенсируются ли полярности связей симметрией молекулы. Последний столбец показывает наиболее характерное взаимодействие, но в реальных веществах могут присутствовать и более слабые силы других типов.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Определите форму молекулы CO₂ и установите, полярна ли она, если связи C=O полярны. Нужно учесть не только наличие полярных связей, но и их взаимное направление.

1. У центрального атома углерода две связывающие области электронов и нет неподелённых пар, которые изменяли бы расположение связей.
2. Две области отталкиваются и занимают противоположные направления, поэтому молекула имеет линейную форму: O=C=O.
3. Связи C=O полярны, но их полярности равны по величине и направлены в разные стороны.
4. Векторы полярности компенсируют друг друга, поэтому общий дипольный момент молекулы равен нулю.

Ответ. CO₂ имеет линейную форму. Несмотря на полярные связи C=O, симметрия молекулы делает её неполярной.

Задача 2

Условие. Сравните форму и полярность H₂O и CO₂. В обеих молекулах связи с кислородом полярны, поэтому нужно объяснить, почему итоговые свойства различаются.

1. В CO₂ у центрального углерода две связывающие области, расположенные под углом 180°, поэтому молекула линейная.
2. В H₂O у кислорода две связи и две неподелённые пары; отталкивание неподелённых пар изгибает молекулу, и она становится угловой.
3. В CO₂ полярности двух связей направлены противоположно и взаимно уничтожаются.
4. В H₂O связи расположены под углом, поэтому их полярности не компенсируются и молекула остаётся полярной.

Ответ. CO₂ — линейная неполярная молекула, а H₂O — угловая полярная молекула. Различие создаёт геометрия, возникшая из-за разного числа электронных пар у центральных атомов.

Задача 3

Условие. Объясните, почему вода кипит при более высокой температуре, чем вещество из неполярных молекул сходной молярной массы. Сравнивать нужно не химические связи внутри молекул, а силы между ними.

1. В молекуле воды связи O–H полярны, а атом кислорода имеет неподелённые пары электронов.
2. Положительно поляризованный водород одной молекулы притягивается к кислороду соседней молекулы, образуя водородную связь.
3. Для неполярных молекул обычно характерны главным образом более слабые дисперсионные взаимодействия.
4. При кипении нужно увеличить расстояния между молекулами, поэтому воде требуется больше энергии на преодоление притяжения.

Ответ. Вода кипит при более высокой температуре благодаря водородным связям между её молекулами. При этом сами молекулы H₂O при кипении не разрушаются: ослабевают и преодолеваются межмолекулярные взаимодействия.

Типичные ошибки

Полярные связи обязательно дают полярную молекулу. Ошибку допускают, когда рассматривают связи по отдельности и забывают о симметрии. Проверьте направления всех полярностей: если они полностью компенсируются, молекула неполярна, как CO₂.

CO₂ изображают угловой по аналогии с H₂O. Такое сравнение без подсчёта электронных пар приводит к неверной форме. У углерода в CO₂ две области связей и нет неподелённых пар, поэтому проверьте угол между связями: он равен 180°.

Межмолекулярное притяжение путают с химической связью. Из-за этого считают, что при кипении разрушаются молекулы вещества. Проверьте, меняется ли состав частиц: при кипении преодолеваются силы между молекулами, а химические связи внутри них в обычном случае сохраняются.

Водородную связь считают возможной в любом веществе с водородом. Наличие H само по себе недостаточно: он должен быть связан с F, O или N и взаимодействовать с электроотрицательным атомом другой частицы. Для проверки найдите такую связь и свободную электронную пару у соседнего электроотрицательного атома.

Связь с другими темами

Для понимания формы молекул нужны знания о строении атома, электронных парах и ковалентной связи. Особенно важно различать полярную и неполярную связь, потому что одна и та же связь может участвовать в образовании полярной или неполярной молекулы.

Форма и межмолекулярные взаимодействия помогают объяснять растворимость, агрегатные состояния и температуры кипения веществ. По полярности можно предполагать, какие частицы будут лучше притягиваться и смешиваться друг с другом.

Что запомнить

• Форма молекулы определяется расположением атомов в пространстве.
• Неподелённые электронные пары влияют на форму молекулы.
• Полярность молекулы зависит и от полярности связей, и от формы молекулы.
• Симметрия может привести к компенсации полярностей связей.
• Межмолекулярные взаимодействия слабее химических связей внутри молекулы.
• Водородная связь — особый вид межмолекулярного притяжения.
• Чем сильнее межмолекулярное притяжение, тем больше энергии обычно требуется для разделения молекул.