Теорія VSEPR: Чому Молекули Мають Ту Форму, Яку Вони Мають

Одна правило: електронні області відштовхуються

Теорія відштовхування електронних пар оболонки (VSEPR) починається з одного фізичного факту: кожна область електронної густини навколо центрального атома — це чи то сполучна пара, поділена з іншим атомом, чи одиночна пара, що належить лише центральному атому — має негативний заряд, і негативні заряди відштовхуються. Форма молекули просто така, яка дозволяє цим «електронним областям» якомога більше відставати одна від одної відповідно до геометрії 3D-простору.

Steric number = (bonding domains) + (lone pairs) on the central atom

2 domains  →  linear             180°
3 domains  →  trigonal planar    120°
4 domains  →  tetrahedral        109.5°
5 domains  →  trigonal bipyramidal   90° / 120°
6 domains  →  octahedral         90°

Електронна геометрія проти молекулярної геометрії

Це два різних (і часто плутаних) описи. Електронна геометрія враховує кожну область, включно з неподільними парами, і описує їх розташування. Молекулярна геометрія описує лише те, де розташовані атоми — неподільні пари невидимі для рентгенівського зображення або для будь-якого, хто описує форму молекули, хоча вони все ще є, відштовхують і змушують видимі атоми витікати з шляху.

CH4 4 зв’язки, 0 неподільних пар → електронна геометрія: тетраедрична молекулярна: тетраедрична NH3 3 зв’язки, 1 неподільний пар → електронна геометрія: тетраедрична молекулярна: тригональна пірамідальна H2O 2 зв’язки, 2 неподільні пари → електронна геометрія: тетраедрична молекулярна: вигнута Усі три молекули мають однакову електронну геометрію тетраедра — 4 області дорівнює 4 областям — але вони виглядають зовсім по-різному, коли ми видаляємо неподільні пари та дивимося лише на те, де розташовані атоми.

CH4   4 bonds, 0 lone pairs   →  electron geom: tetrahedral   molecular: tetrahedral
NH3   3 bonds, 1 lone pair    →  electron geom: tetrahedral   molecular: trigonal pyramidal
H2O   2 bonds, 2 lone pairs   →  electron geom: tetrahedral   molecular: bent

Одиночні пари відштовхують сильніше за зв’язуючі пари

Потребує уточнення питання про кути зв’язку: не всі відштовхування рівні за силою. Зв’язуюча пара натягнута між двома ядрами, що обмежує та трохи послаблює її поширення; одиночний пар належить лише одному ядру і може розповсюджуватися більше, роблячи його «товстішим», більш відштовхувальним доменом. Рейтинг сили відштовхування становить:

Одиночний пар – одиночний пар > Одиночний пар – зв’язуюча пара > Зв’язуюча пара – зв’язуюча пара Це пояснює, чому кут H-N-H у NH₃ (приблизно 107°) та кут H-O-H у H₂O (приблизно 104,5°) обидва виходять за межі ідеального 109,5° з простого тетраедричного електронного розташування — кожен одиночний пар, присутній, штовхає зв’язуючі пари ближче разом, а вода, з двома одиночними парами замість одного, стискається сильніше, ніж амміак.

lone pair - lone pair  >  lone pair - bonding pair  >  bonding pair - bonding pair

Винятковий випадок: тригональна біпірамідальна

П'ять доменів – це єдиний випадок, коли немає жодного однакового кута зв’язку: три рівні позиції в площині розташовані на відстані 120° одна від одної, а два осіди позиції розташовані перпендикулярно до цієї площини, на відстані 90° від кожної рівневої позиції. Оскільки осіди позиції більш заповнені (ближче, в середньому, до більшої кількості сусідів), одиночні пари в молекулі п’ятого домену сильно віддають перевагу просторішим рівневим місцям — що саме пояснює, чому молекули, такі як SF₄ (одна одинока пара, 4 зв’язки), приймають характерну «гойдалку» молекулярну форму замість простішого варіанту.

Теорія VSEPR: Чому молекули мають ту форму, що вони мають

Реальна сила теорії VSEPR полягає в тому, що для правильного прогнозування форми більшості невеликих молекул не потрібно нічого, крім структури Lewis — жодних квантово-механічних обчислень. Ці форми мають реальні фізичні наслідки: вигнута, полярна вода є чудовим розчинником і зв’язувачем водневих зв’язків, а лінійна, неполярна CO₂ не така, що зовсім через геометричний наслідок кількості одиночних пар навколо центрального атома.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте VSEPR Geometry і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.