как определить геометрическую форму молекулы

Метод отталкивания локализованных электронных пар валентной оболочки центрального атома (метод Гиллеспи); дипольный момент молекулы

Материалы портала onx.distant.ru

Основные положения метода

Обозначения, используемые в методе Гиллеспи

А – центральный атом;

X – лиганд, с которым центральный атом образует химическую связь, то есть даёт связывающие электронные пары;

Е – неподелённая электронная пара;

n, m – соответственно число связывающих и неподелённых электронных пар.

Алгоритм определения строения молекул по методу Гиллеспи

Для того, чтобы определить строение молекулы методом Гиллеспи, предлагается следующий порядок действий.

(n + m) = 1/2 (N_ц + N_л – z ) – π (1)

N_ц – число электронов центрального атома на его внешнем электронном слое,

N_л – число электронов лигандов, участвующих в образовании связей с центральным атомом,

π – число π-связей в молекуле,

z – заряд иона (в случае определения строения молекулярного аниона).

В табл. 1. обобщаются возможные варианты использования метода Гиллеспи для определения строения различных молекул.

Таблица 1. Геометрия молекул неорганических и органических веществ.

Дипольный момент молекулы

Мера полярности связи – её дипольный момент (μ) – определяется произведением:

μ = ql

где q – эффективный заряд, l – длина диполя (расстояние между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами +q и –q).

Дипольный момент – это векторная величина. Понятия “дипольный момент связи” и “дипольный момент молекулы” совпадают только для двухатомных молекул. Дипольный момент сложной молекулы равен векторной сумме дипольных моментов всех связей. Дипольный момент многоатомной молекулы зависит не только от полярности отдельных связей в молекуле, но и от геометрической формы молекулы.

Рис. 1. Дипольные моменты молекул СО₂ и Н₂О

Примеры определения строения молекул по методу Гиллеспи

Пример 1. Молекула BF₃.

n + m = (4 + 2)/2 = 3

(у олова на внешнем слое четыре электрона и два электрона дают атомы хлора; π-связи в молекуле отсутствуют).

Пример 3. Молекула XeF₄.

(у атома Хе восемь электронов на внешнем электронном слое и два электрона дают атомы F; π-связи в молекуле отсутствуют).

Пример 4. Молекула SO₂.

(у атома серы на внешнем электронном слое шесть электронов, четыре электрона дают два атома кислорода; в молекуле две π-связи которые вычитаются при определении n+m).

Атом серы имеет шесть валентных электронов. Из них четыре идут на образование π- и σ-связей с двумя атомами кислорода (О= S= O). В результате, у атома серы остается одна неподелённая пара электронов.

Строение карбонат-иона – плоский треугольник.

Задачи для самостоятельного решения

1. Из приведенных молекул полярными являются:

Источник

Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул

В 1930 г. Слейтером и Л. Полингом была развита теория образования ковалентной связи за счет перекрывания электронных орбиталей – метод валентных связей. В основе этого метода лежит метод гибридизации, который описывает образование молекул веществ за счет «смешивания» гибридных орбиталей («смешиваются» не электроны, а орбитали).

Определение типа гибридизации молекул с ковалентной связью

Определить тип гибридизации можно только для молекул с ковалентной связью типа АВ_n, где n больше или равно двум, А – центральный атом, В – лиганд. В гибридизацию вступают только валентные орбитали центрального атома.

Определим тип гибридизации на примере молекулы BeH₂.

Первоначально записываем электронные конфигурации центрального атома и лиганда, рисуем электронно-графические формулы.

Атом бериллия (центральный атом) имеет вакантные 2p-орбитали, поэтому, чтобы принять по одному электрону от каждого атома водорода (лиганд) для образования молекулы BeH₂ ему необходимо перейти в возбужденное состояние:

Образование молекулы BeH₂ происходит за счет перекрывания валентных орбиталей атома Be

* красным цветом обозначены электроны водорода, черным – бериллия.

Тип гибридизации определяют по тому, какие орбитали перекрылись, т.о., молекула BeH₂ находитс в sp – гибридизации.

Помимо молекул состава AB_n, методом валентных связей можно определить тип гибридизации молекул с кратными связями. Рассмотрим на примере молекулы этилена C₂H₄. В молекуле этилена кратная двойная связь, которая образована и –связями. Чтобы определить гибридизацию, записываем электронные конфигурации и рисуем электронно-графические формулы атомов, входящих в состав молекулы:

У атома углерода имеется еще одна вакантная p-орбиталь, следовательно, чтобы принять 4 атома водорода ему необходимо перейти в возбужденное состояние:

Определение геометрической структуры молекул

Геометрическую структуру молекул, а также катионов и анионов состава АВ_n можно с помощью метода Гиллеспи. В основе этого метода – валентные пары электронов. На геометрическую структуру оказывают влияние не только электроны, участвующие в образовании химической связи, но и неподеленные электронные пары. Каждую неподеленную пару электронов в методе Гиллеспи обозначают Е, центральный атом – А, лиганд – В.

Если неподеленных электронных пар нет, то состав молекул может быть АВ₂ (линейная структура молекулы), АВ₃ (структура плоского треугольника), АВ4 (тетраэдрическая структура), АВ₅ (структура тригональной бипирамиды) и АВ₆ (октаэдрическая структура). От базисных структур могут быть получены производные, если вместо лиганда появляется неподеленная электронная пара. Например: АВ₃Е (пирамидальная структура), АВ₂Е₂ (угловая структура молекулы).

Чтобы определить геометрическую структуру (строение ) молекулы необходимо определить состав частицы, для чего вычисляют количество неподеленных лектронных пар (НЕП):

НЕП = (общее число валентных электронов – число электронов, пошедших на образование связи с лигандами) / 2

На связь с H, Cl, Br, I, F уходит по 1-му электрону от А, на связь с O – по 2 электрона, а на связь с N – по 3 электрона от центрального атома.

Рассмотрим на примере молекулы BCl₃. Центральный атом – B.

НЕП = (3-3)/2 = 0, следовательно неподеленных электронных пар нет и молекула имеет структуру АВ₃ – плоский треугольник.

Подробно геометрическое строение молекул разного состава представлено в табл. 1.

Таблица 1. Пространственное строение молекул

Источник

Типы и примеры молекулярной геометрии

молекулярная геометрия или молекулярная структура пространственное распределение атомов вокруг центрального атома. Атомы представляют области, где существует высокая электронная плотность, и поэтому считаются электронными группами, независимо от того, какие связи образуют (одинарные, двойные или тройные)..

Эта концепция основана на комбинации и экспериментальных данных двух теорий: теории валентной связи (TEV) и отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSPR). В то время как первый определяет связи и их углы, второй устанавливает геометрию и, следовательно, молекулярную структуру.

Какие геометрические формы могут принимать молекулы? Две предыдущие теории дают ответы. Согласно ВСЭПР, атомы и пары свободных электронов должны располагаться в пространстве таким образом, чтобы минимизировать электростатическое отталкивание между ними..

В треугольнике три зеленые точки ориентированы на расстоянии 120º. Этот угол, равный углу связи, позволяет атомам отталкивать друг друга как можно меньше. Следовательно, молекула с центральным атомом, присоединенным к трем другим, примет геометрию тригональной плоскости..

Тем не менее, VSCR предсказывает, что свободная пара электронов в центральном атоме будет искажать геометрию. Для случая тригональной плоскости эта пара будет отталкивать три зеленые точки, что приведет к геометрии тригональной пирамиды..

То же самое может случиться и с октаэдром изображения. В нем все атомы разделены максимально устойчиво.

Как заранее узнать молекулярную геометрию атома X?

Для этого необходимо также рассматривать пары свободных электронов как электронные группы. Они вместе с атомами будут определять то, что известно как электронная геометрия, который является неразлучным спутником молекулярной геометрии.

Из электронной геометрии и по обнаружению структурой Льюиса пар свободных электронов мы можем установить, какой будет молекулярная геометрия. Сумма всех молекулярных геометрий даст представление о глобальной структуре.

тип

Как видно из основного изображения, молекулярная геометрия зависит от того, сколько атомов окружает центральный атом. Однако, если пара электронов присутствует без разделения, она изменит геометрию, потому что она занимает много объема. Следовательно, он оказывает стерическое действие.

В соответствии с этим геометрия может представлять серию характерных форм для многих молекул. И именно здесь возникают различные типы молекулярной геометрии или молекулярной структуры.

Когда геометрия равна структуре? Оба обозначают одно и то же только в тех случаях, когда структура не имеет более одного типа геометрии; в противном случае необходимо учитывать все существующие типы, а структура должна иметь глобальное имя (линейное, разветвленное, глобулярное, плоское и т. д.)..

Геометрия особенно полезна для объяснения структуры твердого тела из его структурных единиц.

линейный

Все ковалентные связи являются направленными, поэтому связь A-B является линейной. Но будет ли молекула AB линейной?₂? Если да, геометрия просто представлена ​​как: B-A-B. Два атома B разделены углом 180 °, и согласно TEV, A должен иметь sp-гибридные орбитали.

угловая

Можно предположить в первую очередь линейную геометрию для молекулы AB₂; Тем не менее, важно нарисовать структуру Льюиса, прежде чем прийти к выводу. Рисуя структуру Льюиса, можно определить количество пар электронов без разделения (:) на атоме А.

Когда это так, поверх электронных пар они толкают два атома B вниз, изменяя их углы. В результате линейная молекула B-A-B в конечном итоге становится V, бумерангом или угловой геометрией (верхнее изображение)

Молекула воды, H-O-H, является идеальным примером для этого типа геометрии. В атоме кислорода есть две пары электронов без разделения, которые ориентированы под приблизительным углом 109º.

Почему этот угол? Потому что электронная геометрия является тетраэдрической, которая имеет четыре вершины: две для атомов H и две для электронов. На изображении выше обратите внимание, что зеленые точки и две «доли с глазами» рисуют тетраэдр с голубоватой точкой в ​​центре.

Если бы у О не было пар свободных электронов, вода образовала бы линейную молекулу, ее полярность уменьшилась бы, и океаны, моря, озера и т. Д., Вероятно, не существовали бы, как они известны.

четырехгранный

Верхнее изображение представляет тетраэдрическую геометрию. Для молекулы воды ее электронная геометрия является тетраэдрической, но, удаляя пары без электронов, можно заметить, что она превращается в угловую геометрию. Это также наблюдается просто путем устранения двух зеленых точек; остальные два нарисуют V с синей точкой.

Что, если вместо двух пар свободных электронов был только один? Тогда была бы тригональная плоскость (основное изображение). Однако, исключая электронную группу, стерический эффект, создаваемый парой свободных электронов, не исключается. Следовательно, он искажает треугольную плоскость в треугольную базовую пирамиду:

Хотя геометрическая геометрия тригональной и тетраэдрической пирамиды различна, электронная геометрия одинакова: тетраэдрическая. Таким образом, треугольная пирамида не считается электронной геометрией?

По этой причине всегда важно сначала определить электронную геометрию с помощью структур Льюиса, прежде чем определять молекулярную геометрию. Молекула аммиака, NH₃, пример молекулярной геометрии тригональной пирамиды, но с тетраэдрической электронной геометрией.

Тригональная бипирамида

Из тригональной дипирамидальной геометрии вокруг центрального атома пять электронных групп. На верхнем изображении вы видите пять зеленых точек; три в треугольном основании и два в осевых положениях, которые являются верхней и нижней вершинами пирамиды.

Какую гибридизацию имеет голубая точка? Для образования простых связей (оранжевого цвета) нужны пять гибридных орбиталей. Это достигается с помощью пяти sp орбиталей 3 d (произведение смеси орбиталей s, три p и a d).

Аксиальные и экваториальные позиции

В аксиальном положении пара электронов будет «давить» перпендикулярно (90º) на треугольном основании, в то время как если бы оно находилось в экваториальном положении, две оставшиеся электронные группы основания были бы на расстоянии 120º друг от друга и сжимали бы оба конца на 90º (вместо три, как с базой).

Поэтому центральный атом будет стремиться ориентировать свои безэлектронные пары в экваториальных положениях, чтобы генерировать более стабильные молекулярные геометрии.

Колеблющаяся и Т-образная форма

Если бы тригональная геометрия бипирамиды заменила один или несколько ее атомов безэлектронными парами, она также имела бы другую молекулярную геометрию.

Слева от верхнего изображения геометрия меняется на колеблющуюся форму. В ней свободная пара электронов толкает остальные четыре атома в одном направлении, складывая их связи влево. Обратите внимание, что эта пара и два атома лежат в одной треугольной плоскости исходной дипирамиды.

Итак, для молекулы типа AB₅, он принимает треугольную геометрию бипирамиды. Тем не менее, AB₄, с той же электронной геометрией, она примет колеблющуюся геометрию; и AB₃, Т-образная геометрия. Во всех них А будет иметь (в основном) sp-гибридизацию 3 d.

Для определения геометрии молекулы необходимо нарисовать структуру Льюиса и, следовательно, ее электронную геометрию. Если это тригональная бипирамида, то свободные от электронов пары будут отбрасываться, но не их стерическое воздействие на остальные атомы. Таким образом, можно идеально различить три возможных молекулярных геометрии.

восьмигранный

Октаэдрическая молекулярная геометрия представлена ​​справа от основного изображения. Этот тип геометрии соответствует соединениям AB₆. AB₄ они образуют квадратное основание, в то время как остальные два B расположены в осевом положении. Таким образом, образуются несколько равносторонних треугольников, которые являются гранями октаэдра.

Здесь, опять же, могут быть (как и во всех электронных геометриях) пары свободных электронов, и, следовательно, другие молекулярные геометрии происходят из этого факта. Например, АБ₅ с восьмигранной электронной геометрией состоит из пирамиды с квадратным основанием и AB₄ квадратной плоскости:

В случае октаэдрической электронной геометрии эти две молекулярные геометрии являются наиболее устойчивыми с точки зрения электростатического отталкивания. В квадратно-плоской геометрии две электронные пары расположены на расстоянии 180 °.

Другие молекулярные геометрии

Модифицируя основания упомянутых выше пирамид, можно получить некоторые более сложные молекулярные геометрии. Например, пятиугольная бипирамида основана на пятиугольнике, и соединения, которые ее образуют, имеют общую формулу AB₇.

Как и другие молекулярные геометрии, замена атомов B на пары без электронов приведет к искажению геометрии к другим формам..

Кроме того, соединения AB₈ они могут принимать такие геометрии, как квадратная антипризма. Некоторые геометрии могут быть очень сложными, особенно для формул AB₇ вперед (до AB₁₂).

примеров

Далее будет упомянут ряд соединений для каждой из основных молекулярных геометрий. В качестве упражнения вы могли бы нарисовать структуры Льюиса для всех примеров и подтвердить, что, учитывая электронную геометрию, вы получаете молекулярную геометрию, как указано ниже..

Линейная геометрия

-Хлорид бериллия, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

-Углекислый газ, СО₂ (O = C = O)

-Дибромид ртути, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Цианид водорода, HCN (H-N≡C)

Его углы должны быть 180º, и, следовательно, иметь sp-гибридизацию.

Угловая геометрия

—Вода

-Диоксид азота, НЕТ₂

Тригональная плоскость

-Трифторид брома, BF₃

-Алюминий трихлорид, AlCl₃

-Анион карбонат, СО₃ 2-

четырехгранный

-Четыреххлористый углерод, CCl₄

-Анион сульфат, СО₄ 2-

Треугольная пирамида

-Катион гидроний, ч₃О +

Тригональная бипирамида

-Пентафторид фосфора, ПФ₅

-Пентахлорид сурьмы, SbF₅

колеблющийся

Тетрафторид серы, SF₄

Форма Т

-Трихлорид йода, ICl₃

-Хлористый трифторид, ClF₃ (оба соединения известны как интергалогены)

восьмигранный

-Сера гексафторид, SF₆

-Селен гексафторид, SeF₆

Кульминацией молекулярной геометрии является то, что объясняет наблюдения химических или физических свойств вещества. Тем не менее, он ориентирован в соответствии с электронной геометрией, так что последний всегда должен быть определен до первого.

Источник