[БЕЗ_ЗВУКА] В

1940 году

Сиджвик и Пауэлл предложили теорию отталкивания электронных пар,

которая была очень хорошо развита Гиллеспи и Найхольмом в 1957 году.

Согласно этой теории, электронные пары, образующие ковалентные связи,

а также неподеленные электронные пары элемента отталкиваются таким образом,

чтобы расстояние между ними было максимально.

Это приводит к тому, что электронные пары всегда занимают в пространстве наиболее

выгодную для них геометрию.

Основываясь на этом принципе, можно предсказывать геометрию молекул.

Посмотрите.

Если у какого-то атома будет две валентных электронных пары,

то они максимально оттолкнуться друг от друга, образуя линию.

Если таких электронных пары будет три,

то они максимально оттолкнуться друг от друга, образуя правильный треугольник.

Если электронных пары будет четыре, то фигура,

которая получится в результате отталкивания, называется тетраэдр.

Наконец, если электронных пар будет пять,

то получится тригональная бипирамида, а если шест — то октаэдр.

Это так называемые Платоновы тела,

то есть правильные тела, образованные треугольниками.

Конечно же, в случае молекул эти геомтерии могут быть чуть-чуть более сложными.

Давайте разберем, как можно, зная лишь только формулу соединения,

формулу молекулы, определить, какая будет у нее геометрия.

Для этого достаточно выполнить семь или восемь простых шагов.

Первый это нужно описать структурную формулу данной молекулы,

определить в этой молекуле центральный атом и расставить сигма- и пи-связи,

которые образуют этот центральный атом с другими атомами данной молекулы.

На следующем шаге нужно определить число валентных электронов,

которые есть у центрального атома.

Это легко сделать, посмотрев,

в какой группе в периодической системе находится данный элемент.

На следующем шаге нужно определить или посчитать число сигма-связей,

который образуем данный атом с другими атомами.

Следующий шаг заключается в подсчете количества неподеленных электронных пар.

Это количество легко подсчитать, отняв от числа валентных электронов число

сигма-связей, число пи-связей и разделив получившуюся разницу пополам.

Следующий шаг заключается в подсчете стирического или пространственного числа.

Оно получается путем сложения числа сигма-связей и

числа неподеленных электронных пар.

В зависимости от того, каким получилось стирическое число,

можно определить направленность валентных электронных пар.

Если стирическое число равно двум, то направленность линейная,

в разные стороны одной прямой.

Если же стирическое число равно трем, то такая геометрия называется треугольник.

Если стирическое число четыре, то это тетраэдр.

Пять — тригональная бипирамида.

Шесть — октаэдр.

Ну и, наконец, последний шаг — необходимо определить геометрию собственно молекул,

то есть без учета неподеленных электронных пар.

Найхольм к этим правилам Гиллеспи сделал очень важный дополнения.

Они заключаются в следующем: в молекуле не должно быть взаимодействий

под углом 90 градусов неподеленной пары с неподеленной парой.

И, наконец.

должно быть как можно меньше взаимодействий "неподеленная пара и

валентная электронная пара" под углом 90 градусов.

Применение этих дополнений приводит к тому, что при

определенной ситуации с определенным стироическим числом и неподеленными

электронными парами мы всегла получаем какую-то определенную геометрию частицы.

Давайте рассмотрим некоторые примеры.

Итак, стирической число равно двум, тогда такая молекула имеет линейную геометрию.

Здесь все просто: примеры таких молекул это бириллий-фтор-два или CO2.

Если стирическое число равно трем, то число неподеленных пар может быть

равно либо нулю, и в этом случае геометрия молекулы — треугольник.

Пример такой молекулы — бор-фтор-три.

Или же число неподеленных электронных пар может быть равно единице.

Тогда у нас есть одна неподеленная электронная пара,

и она занимает одну из вершин данного треугольника.

Это означает,

что геометрия молекулы (без учета этой неопределенной пары) будет угловой.

Примеры таких молекул это SO2 или SiF2.

Если стирическое число равно четырем,

то направленность электронных пар к вершинам тетраэдра.

Если нет неподеленных электронных пар, то молекула имеет тетраэдрическую геометрию.

Например, CCl4 или катион NY4+.

Если неподеленная пара одна, то одна из вершин тетраэдра занята этой

неподеленной парой и тогда говорят, что у молекулы будет пирамидальная геомтерия.

Пример такой молекулы — NH3.

Если количество неподеленных пар равно двум,

то тогда у тетраэдра уже заняты две вершины, молекула имеет угловое строение.

Пример такой молекулы — H2O.

Переходим к самому сложному варианту.

Если стиричекой число равно пяти, то у нас возможно огромное число случаев.

Если нет неподеленных пар в такой частице,

то геометрия будет тригонально-бипирамидальна.

Пример такой молекулы — SbCl5.

Хлорид сурьмы пять имеет строение тригональной бипирамиды.

Это неполярное соединение.

Если же у нас будет одна неподеленная электронная пара,

то она может занять позицию либо на оси тригональной бипирамиды,

либо в экваториальной плоскости.

Следуя дополнению Найхольма, которое утверждает,

что количество взаимодействий неподеленная электронная пара валентная пара

сигма-связи должно быть как можно меньше под углом 90 градусов, мы обязаны

расположить неподеленную электронную пару в экваториальную плоскость.

В результате, геометрия такой частицы получается очень интересной.

Посмотрите, она напоминает ходули.

Так химики обычно и называют молекулы фторида серы четыре, SF4.

Объяснение строения этой молекулы с помощью правил Гиллеспи-Найхольма очень

простое, однако многие поколения квантовых химиков начала XX века не могли понять,

как объяснить строение этой молекулы.

Подобное же строение имеет и молекулы IOCl3.

Олнако в этой молекуле возможно еще и различное расположение атомов кислорода

и хлора,

что париведет к структурам различным при одном и том же составе молекулы.

Молекулы, имеющие одинаковый состав, но различное строение, называются изомерами.

Вы всеобъемлюще познакомитесь с явлением изомерии в курсе органической химии,

однако это общее для химии явление и многие неорганические вещества также

имеют изомеры.

Мы столкнемся немножко с этой темой также в теме "комплекснео соединение".

А теперь продолжим.

Если при стирическом числе пять в молекуле будет две неподеленные пары,

они займут экваториальную плоскость.

Мы не можем размещать неподеленную пару на оксиальную позицию и в

экваториальную позицию поскольку при этом они окажутся под углом 90 градусов что

прямо запрещено дополнением Найхольма.

Итак, две неподеленные пары занимают неподеленную плоскость,

и тогда геометрия у молекулы будет Т-образная.

Такую геометрию, например, имеет молекулы ICl3.

Наконец, последний случай, если в молекуле со стирическим числом у центрального атома

пять три неподеленных пары, тогда геомтерия такой молекулы булет линейная.

Такую геометрию имеет молекула XeF2.

Все три неподеленные пары расположены в экваториальной плоскости.

Ну и в заключение — последнее стирическое число.

Стирическое число шесть.

Мы помним,

что в этом случае направленность валентных электронных пар к вершинам октаэдра.

Если неподеленных пар в молекуле нет, то молекула, конечно же,

имеет октаэдрическое строение.

Пример — SF6.

Чрезвычайно инертное соединение фторид серы шесть Это

газообразное вещество с очень интересными физическими свойствами.

Ну и, наконец, если будет одна неподеленная электронная пара, то одна из

вершин октаэдра будет ею занята и молекула приобретет строение квадратной пирамиды.

Ну или египетской пирамиды, чаще всего говорят.

Такое строение имеет молекула IF5.

Ну а больше чем одной неподеленной электронной пары в октаэдре быть не может,

поскольку при этом они окажутся под углом 90 градусов,

что прямо запрещено дополнение Найхольма.

Как вы видите, используя такие простые правила можно с легкостью

определить геометрии молекул, которые, между прочим,

оказывают довольно существенное влияние на то, как эти молекулы будут вступать

в химические реакции или какие физические свойства они будут проявлять.

Самое время поговорить о том, почему и как идут химические реакции.

Но об этом — в следующей лекции.

1.5. Зачем химикам нужно знать геометрию?

Неорганическая химия

Conheça os instrutores