9.15: Молекулярні форми - Самотня пара (и) на центральному атомі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19137

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Людина намагається закрити валізу, поклавши коліно на валізу. — Малюнок\(\PageIndex{1}\) (Кредит: Авторські права на зображення Jandrie Lombard, 2014; Джерело: http://www.shutterstock.com(opens в новому вікні); Ліцензія: Використовується за ліцензією від Shutterstock.com)

Як вся ця одяг може поміститися в такому маленькому просторі?

Коли ми подорожуємо, ми часто беремо набагато більше речей, ніж нам потрібно. Спроба вмістити все це у валізу може стати справжнім викликом. Можливо, нам доведеться перепакувати або просто стиснути все це. Атомам часто доводиться переставляти там, де знаходяться електрони, щоб створити більш стійку структуру.

Центральний атом з однією або декількома одинокими парами

Молекулярна геометрія молекул змінюється, коли центральний атом має одну або кілька одиноких пар електронів. Загальна кількість електронних пар, як пар зв'язку, так і одиноких пар, призводить до того, що називається геометрією електронного домену. Коли одна або кілька сполучних пар електронів замінюються самотньою парою, молекулярна геометрія (фактична форма) молекули змінюється. Відповідно до символів A та B, встановлених у попередньому розділі, ми будемо використовувати E для представлення одинокої пари на центральному атомі (A). Індексний індекс буде використовуватися, коли існує більше однієї одинокої пари. Самотні пари на навколишніх атомах (B) не впливають на геометрію.

AB\(_3\) E: Аміак,\(\ce{NH_3}\)

Молекула аміаку містить три одиночних зв'язку і одну одиночну пару на центральному атомі азоту (див. Малюнок нижче).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Самотня пара електронів в аміаку. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Геометрія домену для молекули з чотирма парами електронів є чотиригранною, як було видно з\(\ce{CH_4}\). У молекулі аміаку одна з електронних пар є самотньою парою, а не сполучною парою. Молекулярна геометрія\(\ce{NH_3}\) називається тригональної пірамідальної (див. Малюнок нижче).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Молекула амонію (Кредит: (ліворуч) Користувач: Booyabazooka/Wikimedia Commons; (праворуч) Бен Міллс (Вікімедіа: Benjah-bmm27); Джерело: (Ліворуч) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ammonia_lone_electron_pair.svg(opens у новому вікні); (праворуч) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ammonia-3D-balls-A.png(opens у новому window); Ліцензія: суспільне надбання)

Нагадаємо, що кут зв'язку в чотиригранної\(\ce{CH_4}\) молекулі є\(109.5^\text{o}\). Знову ж таки, заміна однієї з зв'язаних електронних пар одинокою парою стискає кут трохи. \(\ce{H-N-H}\)Кут дорівнює приблизно\(107^\text{o}\).

AB\(_2\) E\(_2\): Вода,\(\ce{H_2O}\)

Молекула води складається з двох пар зв'язку і двох одиноких пар (див. Малюнок нижче).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Самотня пара електронів на воді. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Що стосується метану і аміаку, геометрія домену для молекули з чотирма парами електронів чотиригранна. У молекулі води дві електронні пари є самотніми парами, а не сполучними парами. Молекулярна геометрія молекули води зігнута. Кут\(\ce{H-O-H}\) зв'язку є\(104.5^\text{o}\), який менше, ніж кут зв'язку в\(\ce{NH_3}\) (див. Малюнок нижче).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Молекула води. (Кредит: Бен Міллс (Вікімедіа: Benjah-bmm27); Джерело: (Ліворуч) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water-dimensions-from-Greenwood%2526Earnshaw-2D.png(opens у новому вікні); (Праворуч) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water-3D-balls-A.png(opens у новому вікні); http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Zeepzieden.jpg(opens в новому вікні); Ліцензія: Громадське надбання)

AB\(_4\) E: Тетрафторид сірки,\(\ce{SF_4}\)

Структура Льюїса для\(\ce{SF_4}\) містить чотири одиночні зв'язки і одиничну пару на атомі сірки (див. Малюнок нижче).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Самотня пара електронів в\(\ce{SF_4}\). (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Атом сірки має навколо себе п'ять електронних груп, що відповідає тригональної геометрії біпірамідного домену, як в\(\ce{PCl_5}\) (див. Малюнок нижче). Нагадаємо, що тригональна біпірамідна геометрія має три екваторіальних атома і два осьових атома, прикріплених до центрального атома. Через більшого відштовхування самотньої пари, це один з екваторіальних атомів, які замінюються самотньою парою. Геометрію молекули називають спотвореним тетраедром, або гойдалкою.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Модель кулі та палиці для\(\ce{SF_4}\). (Кредит: Бен Міллс (Вікімедіа: Benjah-bmm27); Джерело: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sulfur-tetrafluoride-3D-balls.png(opens у новому вікні); Ліцензія: Громадське надбання)

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Геометрії, в яких центральний атом має одну або кілька самотніх пар
Загальна кількість пар електронів	Кількість пар склеювання	Кількість самотніх пар	Геометрія електронного домену	молекулярна геометрія	Приклади
3	2	1	Тригональний площинний	Зігнутий	\(\ce{O_3}\)
4	3	1	Тетраедричний	Трикутна пірамідальна	\(\ce{NH_3}\)
4	2	2	Тетраедричний	Зігнутий	\(\ce{H_2O}\)
5	4	1	Тригональний біпірамідний	Спотворений тетраедр (гойдалки)	\(\ce{SF_4}\)
5	3	2	Тригональний біпірамідний	Т-подібний	\(\ce{ClF_3}\)
5	2	3	Тригональний біпірамідний	Лінійний	\(\ce{I_3^-}\)
6	5	1	Восьмигранний	Квадратна пірамідальна	\(\ce{BrF_5}\)
6	4	2	Восьмигранний	Квадратний площинний	\(\ce{XeF_4}\)

Резюме

Наявність одиноких парних електронів впливає на тривимірну форму молекули.

Рецензія

Чому вода має гнуту геометрію?
Чому аміак не є плоскою молекулою?
Як би ми написали конфігурацію тетрафториду ксенону за допомогою системи ABE?