Какова пространственнал структура воды? Теория VSEPR
Химикам важно знать геометрию той или иной молекулы, т. е. расположение атомов этой молекулы в трехмерном пространстве. От того, какую пространственную структуру имеет соединение, во многом зависят его свойства и способность вступать в реакции. Например, в медицине очень важно знать геометрию молекул лекарственных препаратов, чтобы избежать возникновения побочных реакций. Кроме того, геометрия молекул объясняет, почему диоксид углерода не имеет дипольной структуры, а молекула воды имеет (т. е. представляет собой диполь с положительно и отрицательно заряженными концами и этим напоминает магнит).
Какова пространственнал структура воды? Теория VSEPR
Предсказать геометрию молекул химики могут с помощью теории отталкивания электронных пар валентных уровней (Valence Shell Electron-Pair Repulsion — VSEPR). Согласно этой теории расположенные вокруг атома электронные пары — как связанные (т. е. участвующие в образовании связи), так и несвязанные (т. е. не участвующие в образовании связи) — все равно будут пытаться разойтись в пространстве друг от друга настолько, чтобы их взаимное отталкивание было минимальным. Можно привести такую аналогию: представьте себе, что вы пришли на шикарную вечеринку и вдруг увидели кого-то в таком же наряде, как у вас. Конечно, вы старались бы держаться как можно дальше от этого человека!
Геометрия электронных пар — это расположение электронных пар, связанных или несвязанных, вокруг центрального атома. Определив геометрию электронных пар, следует представить несвязанные электроны невидимыми, и посмотреть, что же осталось. А осталось то, что я называю геометрией молекулы или молекулярной формой — расположение остальных атомов вокруг центрального.
Чтобы с помощью теории VSEPR определить геометрию, или форму молекулы, выполните приведенную ниже последовательность действий.
1. Запишите для молекулы формулу Льюиса (см. раздел «Основы ковалентной связи» ранее в главе).
2. Определите количество электронных пар, расположенных вокруг центрального атома.
3. Руководствуясь табл. 7.2, определите геометрию (пространственную ориентацию) электронных пар.
(В табл. 7.2 показана зависимость геометрии электронных пар и молекулярной формы от общего количества электронных пар (участвующих и не участвующих в образовании связи) и количества пар электронов, принимающих участие в образовании связи.)
4. Представьте, что электронные пары, не участвующие в образовании связи, не видны, и определите молекулярную форму с помощью табл. 7.2.
Таблица 7.2. Предсказание молекулярной формы с помощью теории VSEPR
Общее количество электронных пар
Количество пар, образующих связи
Геометрия электронных пар
Геометрия молекулы
2
2
Линейная
Линейная
3
3
Треугольная плоская
Треугольная плоская
3
2
Треугольная плоская
Изогнутая, V-образная
3
1
Треугольная плоская
Линейная
4
4
Тетраэдрическая
Тетраэдрическая
4
3
Тетраэдрическая
Треугольно-пирамидальная
4
2
Тетраэдрическая
Изогнутая, V-образная
5
5
Треугольно-бипирамидальная
Треугольно-бипирамидальная
5
4
Треугольно-бипирамидальная
Качелеобразная
5
3
Треугольно-бипирамидальная
Т-образная
5
2
Треугольно-бипирамидальная
Линейная
6
6
Октаэдрическая
Октаэдрическая
6
5
Октаэдрическая
Четырехугольно-пирамидальная
6
4
Октаэдрическая
Четырехугольная плоская
Вас не должно беспокоить, что вокруг центрального атома находится больше четырех электронных пар (правило октетов), однако исключения из этого правила все же встречаются, хотя и крайне редко. Некоторые из таких исключений перечислены в табл. 7.2, а некоторые из самых распространенных форм, упомянутых в этой таблице, представлены на рис. 7.16.
Чтобы определить пространственную ориентацию и форму молекулы воды (H2O) и аммиака (NH3), прежде всего необходимо вывести формулу Льюиса для каждого из этих соединений. Следуйте правилам, перечисленным в разделе «Структурная формула: добавьте схему связей», и вы сможете написать формулы Льюиса, приведенные на рис. 7.17.
В молекуле воды вокруг атома кислорода находится четыре электронные пары, поэтому геометрия ее электронных пар является тетраэдрической. Поскольку только две из четырех пар образуют связи, молекулярная форма воды является изогнутой, или V-образной. Поэтому, изображая молекулу воды, следует располагать атомы водорода под углом 90° друг к другу, что практически соответствует реальной форме молекулы.
В молекуле аммиака вокруг центрального атома азота находится четыре электронные пары, поэтому ее молекулярная геометрия также является тетраэдрической. Однако из четырех электронных пар только одна не участвует в образовании связи, значит, молекула аммиака имеет треугольно-пирамидальную форму. Эта форма напоминает трехногий стул для малышей, где «сиденьем» является атом азота, а одна пара несвязанных электронов обычно выходит вверх из этого сиденья. Как бы вы удивились, сев на этот аммиачный стул!