Теория VSEPR и эффект неподелённых пар

Влияние неподелённых пар электронов на геометрию молекулы

Важно отметить, что геометрия пары электронов вокруг центрального атома не то же самое, что его молекулярная структура. Молекулярная структура описывает расположение атомов, а не электронов. Геометрия, включающая все электронные пары, называется геометрией электронных пар. Геометрия электронных пар описывает все области, где расположены электроны, связи, а также неподеленные пары. Структура, которая включает только размещение атомов в молекуле, называется молекулярной структурой. Геометрия электронных пар будет такой же, как и молекулярные структуры, когда вокруг центрального атома нет неподеленных электронных пар, но они будут другими, когда неподеленные пары присутствуют на центральном атоме.

Например, молекула метана CH₄, которая является основным компонентом природного газа, имеет четыре пары связываемых электронов вокруг центрального атома углерода; геометрия электронной пары тетраэдр, как и молекулярная структура. С другой стороны, молекула аммиака, NH₃, также имеет четыре пары электронов, связанные с атомом азота и, таким образом, имеет тетраэдральную геометрию электрона-пары. Одна из этих областей, однако, является одинокой парой, которая не входит в молекулярную структуру, и эта одинокая пара влияет на форму молекулы.

Искажения угла, основанные на теории VSEPR

Небольшие искажения от идеальных углов могут быть вызваны различиями отталкивания между различными областями электронной плотности. Теория VSEPR предсказывает эти искажения, устанавливая порядок отталкиваний и порядок количества пространства, занимаемого различными видами электронных пар. Порядок импульсов электронной пары от максимального к наименьшему отталкиванию:

неподеленная пара – неподеленная пара & gt; неподеленная пара- связанная пара & gt; связанная пара-связанная пара

Этот порядок отталкиваний определяет количество пространства, занимаемого различными областями электронов. Одинокая пара электронов занимает большую область пространства, чем электроны в тройной связи; в свою очередь, электроны в тройной связи занимают больше пространства, чем в двойной связи, и так далее. Порядок размеров от самого большого до самого маленького:

неподелённая пара > тройная связь > двойная связь > одиночная связь

В молекуле аммиака три атома водорода, прикрепленные к центральному азоту, расположены не в плоской, тригональной планарной молекулярной структуре, а скорее в трёхмерной тригональной пирамиде с атомом азота на вершине и тремя атомами водорода, образующими основание. Идеальные углы связи в тригональной пирамиде основаны на геометрии тетраэдральной электронной пары. Опять же, есть небольшие отклонения от идеала, потому что одинокие пары занимают более крупные области пространства, чем связывание электронов. Углы связи H–N–H в NH₃ немного меньше, чем угол 109.5° в обычном тетраэдре, потому что одинокая пара-связующее соединение больше, чем связующее парное отталкивание.

Согласно теории VSEPR, местоположения атомов терминала эквивалентны в линейной, тригональной плоскостной и тетраэдрической геометрии электронно-парной пары. Не имеет значения, какой X заменяется на одиноку пару, поскольку молекулы можно повернуть для преобразования позиций. Для тригональных бипирамидальных геометрий электронной пары, Однако существуют два разных положения по оси X, осевое положение (если мы придерживаем модель тригональной бипирамиды двумя осевыми положениями, то у нас есть ось, вокруг которой мы можем вращать модель) и экваториальное положение (три положения образуют экватор вокруг середины молекулы). Осевое положение окружено углами связи 90°, в то время как экваториальное положение имеет больше свободного пространства из-за углов связи 120°. В тригональной бипирамидальной геометрии пары электронов одиночные пары всегда занимают экваториальные позиции, потому что эти более просторные позиции могут легче вместить более крупные одиночные пары.

Когда центральный атом имеет две одинокие пары электронов и четыре области связывания, у нас есть октаэдрическая геометрия электронной пары. Две одиночные пары расположены на противоположных сторонах октаэдра (на расстоянии 180° друг от друга), что дает квадратную плоскую молекулярную структуру, минимизируя одиночные парные отталкивания.

Этот текст был адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.6: Молекулярная структура и полярность.