§ 9 Форма молекул

•Что называют молекулой?

•Какие модели молекул вам известны?

Молекулы состоят из атомов, связанных между собой ковалентными связями. Атомы в молекуле не только связаны друг с другом в определённом порядке, но и располагаются в пространстве определённым образом, т. е. каждая молекула имеет свою форму. Формы молекул отображаются разнообразными моделями. При изучении органической химии вы научились составлять шаростержневые модели молекул органических веществ (шарики изображали атомы, стержни — связи между атомами). Точнее отображают форму молекулы шаровые модели, которые составляют из шариков, соединённых штырями. Радиус шарика соответствует радиусу атома. Атомам углерода соответствует чёрный цвет, водорода — белый, кислорода — красный, азота — синий, серы — жёлтый, галогенов — зелёный разных оттенков. Но в шаровых моделях менее понятен порядок связи атомов.

Лабораторный опыт. Составление моделей молекул разной формы

Соберите пространственные модели молекул воды H2O, аммиака NH3, мета-

на CH4 и углекислого газа CO2.

• Какие из этих молекул можно назвать: а) линейными (все ядра атомов

лежат на одной линии); б) плоскими (все ядра атомов лежат в одной плоскости); в) объёмными (нет ни одной плоскости, на которую можно было бы поместить все ядра)?

Рис. 9. Объёмные модели молекул оксида серы(VI) SO3 (слева) и фторида серы SF6 (справа)

36

Форма молекулы весьма важна для её реакционной способности. Например, оксид серы(VI) SO3 очень реакционно-способное вещество, поскольку его молекула плоская и атом серы, несущий частичный положительный заряд, открыт для атаки сверху и снизу (рис. 9). А вот фторид серы SF6 — вещество крайне инертное, почти ни с чем не реагирует. В нём атом серы со всех сторон закрыт атомами фтора.

Возникает вопрос: почему молекулы имеют ту или иную форму? Например, почему молекула BF3 плоская, а молекула NH3 объёмная?

Строго говоря, при образовании молекул валентные орбитали взаимодействующих атомов перераспределяются, превращаясь в молекулярные орбитали. Их форму можно рассчитать, решив уравнение Шрёдингера для электронов в молекуле. Однако даже для простых молекул этот метод требует больших вычислительных мощностей, поэтому используют приближённые методы. Наиболее распространены два подхода: с использованием представлений о гибридизации орбиталей (о нём будет рассказано в следующем параграфе) и с использованием теории отталкивания электронных пар валентных орбиталей (метод Гиллеспи).

Теория отталкивания электронных пар валентных орбиталей. Систему правил для рассмотрения и предсказания геометрических конфигураций молекул разработал канадский физикохимик Роналд Джеймс Гиллеспи в 1957 г. Согласно его теории отталкивания электронных пар валентных орбиталей, молекула всегда будет принимать форму, при которой отталкивание внешних электронных пар минимально (принцип минимума энергии).

В соответствии с методом Гиллеспи геометрия молекулы определяется геометрией окружения каждого атома и зависит только от числа ближайших соседей (связывающих электронных пар) и неподелённых электронных пар у этого атома. Это число мы будем называть расширенным координационным числом (РКЧ). В молекуле BF3 у атома бора три соседа — атомы фтора. Соответственно его расширенное координационное число равно трём. У атома азота в молекуле аммиака NH3 тоже три соседа (атомы во-

37

дорода) плюс неподелённая пара. Соответственно расширенное координационное число азота равно четырём, и формулу аммиака можно записать как NH3Е (Е — неподелённая электронная пара). Формулу воды в этом случае можно записать как H2OE2.

Предполагается, что каждая молекула вписана в сферу. Молекула будет иметь минимум энергии, если все связывающие электронные пары будут равноудалены друг от друга на поверхности сферы. Неподелённая электронная пара занимает на сфере большую площадь, что приводит к уменьшению валентного угла тем больше, чем больше в молекуле неподелённых электронных пар.

Определите расширенное координационное число атома кислорода в молекуле воды; атома углерода в молекуле CO2; атома серы в молекуле SO2; атома углерода в молекуле CH4.

Соседние атомы и электронные пары располагаются на максимальном расстоянии друг от друга. В результате получается определённая геометрия окружения (табл. 1).

Для трёхатомной молекулы (в общем виде можно записать её формулу как AX2) возможно единственное строение — линейное, четырёхатомная молекула AX3 будет плоской в форме равностороннего треугольника, пя-

Таблица 1

Определение формы молекулы с помощью метода Гиллеспи

38

тиатомная AX4 — тетраэдрической, шестиатомная AX5 будет иметь форму треугольной бипирамиды, а семиатомная AX6 — форму октаэдра.

В случае наличия в молекуле неподелённых электронных пар геометрия молекулы меняется. Молекула AX2E будет уже не линейной, а угловой, AX3E будет иметь форму треугольной пирамиды, а AX2E2 вновь будет угловой, причём угол будет существенно меньше тетраэдрического (например, H2O). В молекуле AX4E возможная структура — треугольно-пирамидальная. Молекула AX5E имеет структуру квадратной пирамиды, а молекула AX4E2 — квадрата.

Выполните задание 1 после параграфа.

Теория отталкивания электронных пар валентных орбиталей

1.Нарисуйте структурные формулы, обозначьте неспаренные электроны и ука-

жите РКЧ атомов в следующих соединениях: H2S, SnCl4, SO3, NOCl (нет связи O—Cl), H3PO4, H5IO6, H3BO3. Нарисуйте пространственные формулы этих веществ.

2.В программе ChemSketch или Avogadro нарисуйте 3D-модели следующих мо-

лекул:

Оптимизируйте их геометрию.

3. Используя расширенное координационное число, объясните, почему молекулы из предыдущего задания имеют именно такую форму. Нарисуйте их пространственные формулы на бумаге с указанием электронных пар.

Интернет-ресурсы

•Программа для рисования структурных формул и трёхмерных моделей молекул ACD ChemSketch (англоязычная; бесплатная для личных и учебных нужд). http://www.acdlabs.com/resources/freeware/

•Программа для рисования трёхмерных моделей молекул Avogadro (англоязычная; свободная лицензия; оптимизация геометрии менее корректная, чем в ChemSketch). http://avogadro.cc/wiki/Main_Page

Язнаю как расположение атомов в молекуле отражается на реакционной

способности вещества

39