Геометрия молекул и теория отталкивания электронных пар

Пространственная структура молекулы определяется взаимным расположением атомов, которое, в свою очередь, зависит от характера химических связей и распределения электронных пар вокруг центрального атома. Электронные облака, будь то связывающие или свободные пары электронов, отталкиваются друг от друга, стремясь занять положение, при котором расстояния между ними максимальны. Это положение обеспечивает наименьшую потенциальную энергию системы и является устойчивым.

Для описания таких закономерностей применяется теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (TEV, или VSEPR). Данная модель позволяет предсказать геометрию молекулы, исходя из числа электронных доменов вокруг центрального атома.

Электронные домены

Электронный домен — область пространства, где локализована пара электронов, связывающих или неподелённых. Каждый домен стремится расположиться так, чтобы минимизировать взаимодействие с другими. Различают:

  • связывающие пары — формируют химическую связь (одинарную, двойную или тройную), каждая из которых считается одним доменом;
  • свободные (несвязывающие) пары — принадлежат только центральному атому и оказывают большее отталкивающее воздействие, чем связывающие.

Таким образом, общее число доменов определяет электронную геометрию молекулы.

Основные типы геометрии

  1. Линейная геометрия

    • 2 электронных домена.
    • Угол между связями 180°.
    • Пример: CO₂, BeCl₂.

  2. Тригональная плоская

    • 3 домена.
    • Угол 120°.
    • Пример: BF₃.

  3. Тетраэдрическая

    • 4 домена.
    • Углы 109,5°.
    • Пример: CH₄.

  4. Тригональная бипирамидальная

    • 5 доменов.
    • Углы 90°, 120° и 180°.
    • Пример: PCl₅.

  5. Октаэдрическая

    • 6 доменов.
    • Углы 90° и 180°.
    • Пример: SF₆.

Эти типы соответствуют минимальной энергии системы, когда отталкивание электронных облаков сбалансировано.

Влияние свободных электронных пар

Присутствие неподелённых электронных пар изменяет форму молекулы по сравнению с идеальной геометрией. Свободные пары отталкивают сильнее, чем связывающие, поэтому углы между связями уменьшаются.

Примеры:

  • NH₃: 4 домена (3 связи + 1 свободная пара). Идеальная геометрия — тетраэдрическая, реальная форма — тригональная пирамида, угол H–N–H ≈ 107°.
  • H₂O: 4 домена (2 связи + 2 свободные пары). Идеальная геометрия — тетраэдрическая, реальная форма — изогнутая, угол H–O–H ≈ 104,5°.
  • SO₂: 3 домена (2 связи + 1 пара). Идеальная геометрия — тригональная плоская, реальная форма — изогнутая, угол O–S–O ≈ 119°.

Полярность и геометрия

Геометрическая форма напрямую связана с распределением электронной плотности и дипольных моментов.

  • Если векторные суммы дипольных моментов компенсируются (например, в CO₂ или CCl₄), молекула неполярна.
  • При асимметрии геометрии дипольные моменты не компенсируются, и молекула становится полярной (H₂O, NH₃, SO₂).

Геометрия при расширенной валентной оболочке

Атомы третьего периода и далее могут иметь более восьми электронов в валентной оболочке. Такие молекулы формируют сложные геометрии, соответствующие пяти- и шестидоменным системам:

  • SF₄ — геометрия “качалки” (тригональная бипирамидальная с одной свободной парой).
  • ClF₃ — Т-образная структура.
  • XeF₂ — линейная структура при пяти доменах (3 свободные пары + 2 связи).
  • XeF₄ — квадратная плоская структура (6 доменов: 4 связи + 2 пары).

Стерические взаимодействия и устойчивость

Различные типы электронных доменов оказывают неодинаковое отталкивающее действие:

  • свободная–свободная > свободная–связывающая > связывающая–связывающая. Это объясняет отклонения реальных углов связей от идеальных значений. Чем больше свободных пар вокруг атома, тем сильнее искажается геометрия.

Применение модели

Теория отталкивания электронных пар позволяет:

  • предсказывать пространственную структуру молекул;
  • объяснять различия в физических свойствах веществ;
  • устанавливать полярность молекул и их реакционную способность;
  • рассматривать стереохимию органических и неорганических соединений.

Модель VSEPR не даёт строгого квантово-механического описания, но служит удобным и наглядным инструментом для понимания молекулярной геометрии и её влияния на химические свойства веществ.

Оглавление