Что значит геометрия молекулы

Что значит геометрия молекулы

Под геометрией молекулы понимают пространственное расположение атомов, т. е. длины связей и углы между ними. Экспериментально форма (или геометрия) молекул изучается методами рентгенографического анализа кристаллов и дифракции электронов.

Для обсуждения вопросов пространственного строения молекул важно понимать значение следующих терминов.

Молекула электронейтральная частица, состоящая из двух или более ковалентно связанных атомов.

Карбкатион (карбениевый -трупт ковалентно связанных атомов, содержащая положительно заряженный атом углерода, например

Карбанион — группа ковалентно связанных атомов, содержащая отрицательно заряженный атом углерода, например

Свободный радикал — атом или группа атомов, содержащая неспаренный электрон, например или

Длина связи — среднее расстояние между ядрами ковалентно связанных атомов. Среднее значение используется потому, что атомы непрерывно осциллируют, то сближаясь, то удаляясь друг от друга.

Валентный угол — среднее значение угла между двумя ковалентными связями. Из-за колебаний атомов в молекуле величина угла в каждый данный момент может несколько отличаться от средней.

Для органической химии большое значение имеют три типа расположения атомов вокруг атома углерода:

Все валентные углы в молекуле метана равны 109,5°. Такое расположение атомов называется тетраэдрическим и характерно для всех соединений, в которых имеются атомы углерода, связанные четырьмя простыми связями.

Формальдегид — плоская молекула. Валентные углы в ней составляют по 120°. Такая геометрия свойственна всем молекулам, включающим атом углерода, связанный одной двойной и двумя простыми связями, как, например, в молекуле этилена.

Надо заметить, что величина валентных углов может в разных молекулах незначительно различаться. Эти различия определяются размерами атомов, связанных с атомом углерода. Например, в молекуле дихлорметана валентный угол между связями несколько больше, чем между связями Это объясняется большими размерами атома хлора по сравнению с атомом водорода. Тем не менее, углы близки к стандартной величине 109,5°, и тетраэдрическая конфигурация сохраняется.

Третий тип формы молекул иллюстрируется молекулой ацетилена. Строение ацетилена линейное, а валентные углы составляют по 180°. Такая геометрия характерна для всех атомов углерода, связанных одной тройной и одной простой связью.

В органических соединениях часто встречаются атомы кислорода и азота. В этих случаях валентные углы близки к тетраэдрическим. Ниже показаны неорганические соединения кислорода и азота:

Примерно такая же геометрия сохраняется и в органических соединениях кислорода и азота, независимо от сложности структуры и

размера молекул. Одна из таких молекул и конфигурация атомов в ней показаны ниже:

Формулы, в которых с помощью клиньев, сплошных и пунктирных линий показана пространственная структура молекул, называются стереохимыческими формулами.

Источник

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

Материалы портала onx.distant.ru

Основные положения метода

1. Все электроны, образующие химические связи атомов, считаются равноценными независимо от их типа (s, p, d, f).
2. Атомный остов, содержащий ядро и внутренние электронные оболочки, не оказывает влияние на расположение валентных электронов.
3. Электронные пары располагаются в пространстве таким образом, чтобы отталкивание между ними было минимальным (две электронные пары располагаются линейно, три образуют правильный треугольник, четыре располагаются тетраэдрически и т.д.).
4. Строение молекулы определяется расположением в пространстве связывающих электронных пар.
5. Орбиталь кратной связи считается единичной, независимо от того, содержит она одну или две π-связи. В то же время электронные пары двойной и тройной связи занимают в пространстве несколько больше места, чем электронная пара одинарной связи.
6. Неподелённая электронная пара в пространстве занимает больше места, чем связывающая электронная пара.

Обозначения, используемые в методе Гиллеспи

При рассмотрении геометрической формы молекулы методом Гиллеспи её формула записывается в виде AХ_nE_m , где:

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.

1. На основании формулы молекулы определяется число лигандовn, с которыми центральный атом образует связь и записывается формула AХ_nE_mс указанием значения n.
2. Находится общее число связывающих и неподелённых электронных пар (n + m) по формуле:

(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).

1. Определяется пространственное расположение всех электронных пар (связывающих и неподелённых).
2. Находится число неподелённых электронных пар m и уточняется формула молекулы AХ_nE_m (указывается значение m).
3. Устанавливается геометрия молекулы.

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

Таблица 1. Геометрия молекул неорганических и органических веществ.

№	Тип молекулы	Примеры	Общее число связывающих и неподелённых электронных пар	Пространственное расположение электронных пар	Число связывающих электронных пар	Геометрия молекулы
1	AX2E0	BeCl2, CO2	2	линейное	2	линейная
2	AX3E0	BF3, SO3	3	правильный треугольник	3	правильный треугольник
3	AX2E1	SnCl2 SO2	3	правильный треугольник	2	угловая
4	AX4E0	CH4, CCl4	4	тетраэдр	4	тетраэдр
5	AX3E1	NH3, PH3	4	тетраэдр	3	треугольная пирамида
6	AX2E2	H2O	4	тетраэдр	2	угловая
7	AX5E0	PCl5	5	тригональная бипирамида	5	тригональная бипирамида
8	AX4E1	SF4	5	тригональная бипирамида	4	“качели”
9	AX3E2	ClF3	5	тригональная бипирамида	3	“Т-образная”
10	AX2E3	XeF2	5	тригональная бипирамида	2	линейная
11	AX6E0	SF6	6	октаэдр	6	октаэдр
12	AX5E1	ICl5	6	октаэдр	5	квадратная пирамида
13	AX4E2	XeF4	6	октаэдр	4	плоская
14	A + X4E0	NH4 +	4	тетраэдр	4	тетраэдр
15	AX4 2- E0	SO4 2-	4	тетраэдр	4	тетраэдр
16	AX3 2- E1	SO3 2-	4	тетраэдр	3	треугольная пирамида
17	A — X6E0	PCl6 —	6	октаэдр	6	октаэдр
18	AX’1X»2E0	COCl2	3	правильный треугольник	3	правильный треугольник

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.

Например , в линейной молекуле СО₂ каждая из связей С–О полярна, а молекула в целом неполярна ( μ(СО₂)=0), так как дипольные моменты связей компенсируют друг друга (рис. 1). В угловой молекуле Н₂О связи расположены под углом 104,5 o и векторная сумма дипольных моментов двух связей выражается диагональю параллелограмма (рис. 1). Если μ≠0, то молекула полярна.

Рис. 1. Дипольные моменты молекул СО₂ и Н₂О

Примеры определения строения молекул по методу Гиллеспи

Пример 1. Молекула BF₃.

1. Формула молекулы AX₃E_m.
2. Атом бора даёт три электрона на образование σ-связей и каждый из трех атомов фтора дают по одному электрону; π-связи в молекуле отсутствуют. Общее число образующих σ-связи электронных пар:

1. Расположение электронных пар в пространстве – правильный треугольник.
2. Число неподелённых электронных пар m = 3 – 3 = 0. Формула молекулы AX₃E₀.
3. Строение молекулы – правильный треугольник. Все валентные электроны атома бора идут на образование-связей с тремя атомами фтора. Неподелённых электронных пар у атома бора нет.

Пример 2. Молекула SnCl₂ .

1. Формула молекулы AX₂E_m.
2. Общее число электронных пар в валентной оболочке атома олова:

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

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

1. Расположение электронных пар в пространстве – правильный треугольник.
2. Число неподелённых электронных пар m = 3 – 2 = 1. Формула молекулы AX₂E₁.
3. Строение молекулы – нелинейная (угловая).

Пример 3. Молекула XeF₄.

1. Формула молекулы AX₄E_m.
2. Общее число электронных пар в валентной оболочке атома ксенона:

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

1. Расположение электронных пар в пространстве – октаэдр.
2. Число неподелённых электронных пар m = 6–2 = 2. Формула молекулы AX₄E₂.
3. Строение молекулы – квадрат.

Пример 4. Молекула SO₂.

1. Формула молекулы AX₂E_m. Молекула содержит две π-связи.
2. Общее число электронных пар в валентной оболочке атома серы

n + m = (6 + 4)/2 – 2 = 3

(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).

1. Расположение электронных пар в пространстве – правильный треугольник.
2. Число неподелённых электронных пар m = 3 – 2 =1. Формула молекулы AX₂E₁.
3. Строение молекулы – нелинейная (угловая).

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.

Пример 5. Молекулярный ион СO₃ 2- .

1. Формула иона AX₃E_m. Ион содержит одну π-связь.
2. Общее число электронных пар в валентной оболочке атома углерода n + m = (4 + 6 – 2)/2 – 1 = 3 (к четырём электронам атома углерода прибавляем шесть электронов атома кислорода и вычитаем два электрона атома кислорода – заряд карбонат-иона; из полученной величины вычитаем также число π-связей).
3. Расположение электронных пар в пространстве – плоский треугольник.
4. Число неподелённых электронных пар m = 3 – 3 =0. Формула карбонат-иона AX₃E₀.

Строение карбонат-иона – плоский треугольник.

Задачи для самостоятельного решения

1. Из приведенных молекул полярными являются:

Источник