3.2: Відштовхування електронної пари валентної оболонки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33282

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

Вступ до ВСПР

Модель електронного відштовхування валентної оболонки (VSEPR) може передбачити структуру більшості молекул та багатоатомних іонів, в яких центральний атом є неметалом; вона також працює для деяких структур, в яких центральний атом є металом. VSEPR будується на електронних точкових структурах Льюїса (обговорюється в розділі 3.1); Тільки структури Льюїса передбачають лише зв'язок, тоді як структура Льюїса та VSEPR разом можуть передбачити геометрію кожного атома в молекулі. Основна ідея теорії VSEPR полягає в тому, що пари електронів (в зв'язках і в одиноких парах) відштовхують один одного. Пари електронів (в зв'язках і в одиночних парах) називаються «групами». Оскільки електрони відштовхуються один від одного електростатично, найбільш стійке розташування електронних груп (тобто тієї, що має найменшу енергію) - це те, що мінімізує відштовхування. Групи розташовуються навколо центрального атома таким чином, що виробляє молекулярну структуру з найменшою енергією. Іншими словами, відштовхування між групами навколо атома сприяє геометрії, в якій групи знаходяться якомога далі один від одного. Хоча ВСПР є спрощеним, оскільки не враховує тонкощів орбітальних взаємодій, що впливають на молекулярні форми, він точно прогнозує тривимірні структури великої кількості сполук.

Ми можемо використовувати модель VSEPR для прогнозування геометрії навколо атомів у багатоатомній молекулі або іоні, зосередившись на кількості електронних пар (груп) навколо центрального атома, що цікавить. Групи включають зв'язані та незв'язані електрони; одиночний зв'язок, подвійний зв'язок, потрійний зв'язок, одинока пара електронів або навіть один непарний електрон, кожен рахується як одна група. Молекулі або багатоатомному іону дано позначення A X _m E _n, де A - центральний атом, X - зв'язаний атом, E - a незв'язкова валентна електронна група (зазвичай одинична пара електронів), а m і n - цілі числа. Кількість груп дорівнює сумі m і n. Використовуючи цю інформацію, ми можемо описати молекулярну геометрію навколо центрального атома, тобто розташування зв'язаних атомів у молекулі або багатоатомному іоні. Геометрії, які прогнозуються з VSEPR, коли центральний атом має лише зв'язані групи (n = 0), наведені нижче в табл\(\PageIndex{1}\). Випадки, коли одинокі пари сприяють загальним групам (n\(\geq\) 1), обговорюються в наступному розділі про відштовхування одиноких пар.

Таблиця\(\PageIndex{1}\). Геометрії передбачені за допомогою теорії VSEPR (тільки зв'язані групи).
Групи навколо центрального атома (м + п)	Назва геометрії	Прогнозований кут зв'язку
2	лінійний	180°
3	тригональна площина	120°
4	тетраедр	109.5°
5	тригональна біпіраміда	90° і 120°
6	октаедр	90°
7	п'ятикутна біпіраміда	90° і 72°
8	квадратна антипризма	70.5°, 99,6° і 109.5°

Практика

VSEPR для прогнозування молекулярної геометрії

Ви можете виконати ці чотири кроки, щоб передбачити геометрію навколо атома за допомогою VSEPR:

Намалюйте електронну структуру Льюїса молекули або багатоатомного іона.
Для цікавить центрального атома призначте позначення AX _m E _n і загальне число груп (m + n).
Визначте розташування електронної групи навколо центрального атома, що мінімізує відбиття.
Опишіть молекулярну геометрію.

Скористайтеся процедурою вище, щоб виконати наведені нижче вправи

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Прогнозуйте геометрію навколо центрального атома в BeH ₂ і CO ₂.

Відповідь БеХ ₂

1. Центральний атом, берилій, вносить два валентних електрона, і кожен атом водню вносить один. Електронна структура Льюїса

2. Навколо центрального атома є дві групи, і обидві групи є поодинокими зв'язками. Таким чином BeH ₂ позначається як AX ₂.

3. З таблиці ми бачимо\(\PageIndex{1}\), що розташування, яке мінімізує відбиття, розміщує групи на 180° один від одного.

4. З таблиці\(\PageIndex{1}\) ми бачимо, що з двома парами зв'язку молекулярна геометрія, яка мінімізує відбиття в BeH ₂, є лінійною.

Відповідь СО ₂: 1. Центральний атом, вуглець, вносить чотири валентні електрони, а кожен атом кисню вносить шість. Електронна структура Льюїса

2. Атом вуглецю утворює дві подвійні зв'язки. Кожна подвійна зв'язок зараховується як одна група, тому навколо центрального атома є дві групи. Знову ж таки, обидві групи навколо центрального атома є зв'язками, тому СО ₂ позначається як AX ₂.

3. Як і BeH ₂, розташування, яке мінімізує відбиття, розміщує групи на 180° один від одного.

4. VSEPR розпізнає лише групи навколо центрального атома (вуглецю). Таким чином, одинокі пари на атомах кисню не впливають на молекулярну геометрію. З двома зв'язаними групами на центральному атомі і без одиноких пар молекулярна геометрія СО ₂ лінійна (табл.\(\PageIndex{1}\)). Структура системи\(\ce{CO2}\) наведена в табл\(\PageIndex{1}\).

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Прогнозуйте геометрію навколо центрального атома в BCL ₃ і CO ₃ ^2-.

Відповідь: BCL ₃: 1. Центральний атом, бор, вносить три валентні електрони, а кожен атом хлору вносить сім валентних електронів. Електронна структура Льюїса

2. Навколо центрального атома є три групи, і всі вони є поодинокими зв'язками. Конструкція позначається як AX ₃.

3. Щоб мінімізувати відбиття, групи розміщуються на відстані 120° один від одного (табл.\(\PageIndex{1}\)).

4. З таблиці\(\PageIndex{1}\) ми бачимо, що з трьома парами зв'язку навколо центрального атома молекулярна геометрія BCl ₃ тригональна плоска.

Відповідь СО ₃ ²

1. Центральний атом, вуглець, має чотири валентні електрони, а кожен атом кисню має шість валентних електронів. Електронна структура Льюїса однієї з трьох резонансних форм представлена у вигляді

2. Структура СО ₃ ²⁻ є резонансним гібридом. Він має три однакові зв'язки, кожна з яких має порядок зв'язку\(1 \frac{1}{3}\). Всі електронні групи є зв'язками. При трьох групах зв'язку навколо центрального атома структура позначається як AX ₃.

3. Ми мінімізуємо відбиття, розміщуючи три групи на 120° один від одного (табл.\(\PageIndex{1}\)).

4. З таблиці видно\(\PageIndex{1}\), що молекулярна геометрія CO ₃ ²⁻ тригональна плоска з кутами зв'язку 120°.

У нашому наступному прикладі ми вперше стикаємося з впливом одиноких пар і множинних зв'язків на молекулярну геометрію.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Прогнозуйте геометрію навколо центрального атома в CH ₄, pCl ₅ і SF ₆.

Відповідь: CH ₄: 1. Центральний атом, вуглець, вносить чотири валентні електрони, і кожен атом водню має один валентний електрон, тому повна електронна структура Льюїса

2. Навколо центрального атома є чотири групи електронів. Всі електронні групи є сполучними парами, тому структура позначається як AX ₄.

3. Як показано в таблиці\(\PageIndex{1}\), відбиття мінімізуються шляхом розміщення груп в кутах тетраедра з кутами зв'язку 109,5°.

4. При чотирьох сполучних парах молекулярна геометрія метану чотиригранна (табл.\(\PageIndex{1}\)).

Відповідь: pCl ₅

1. Фосфор має п'ять валентних електронів, а кожен хлор має сім валентних електронів, тому електронна структура Льюїса pCl ₅ становить

2. Навколо фосфору, центрального атома, існує п'ять груп зв'язку. Всі групи електронів є зв'язками, тому структура позначається як AX ₅.

3. Структура, яка мінімізує відбиття, - це тригональна біпіраміда, яка складається з двох тригональних пірамід, які поділяють основу (табл.\(\PageIndex{1}\)).

4. Молекулярна геометрія pCl ₅ тригональна біпірамідна, як показано нижче. Молекула має три атоми в площині в екваторіальних положеннях і два атоми вище і нижче площини в осьових положеннях. Три екваторіальні позиції відокремлені на 120° один від одного, а два осьові положення знаходяться на 90° до екваторіальної площини. Осьові та екваторіальні положення хімічно не еквівалентні.

9.2.2.png

Відповідь SF ₆

1. Центральний атом, сірка, вносить шість валентних електронів, і кожен атом фтору має сім валентних електронів, тому електронна структура Льюїса

При розширеній валентності цей вид є винятком з правила октета.

2. Навколо центрального атома є шість електронних груп, кожна з яких є сполучною парою. Ми бачимо з малюнка\(\PageIndex{2}\), що геометрія, яка мінімізує відбиття, є восьмигранною.

3. Маючи лише склеювальні пари, SF ₆ позначається як AX ₆. Всі позиції хімічно еквівалентні, тому всі електронні взаємодії рівнозначні.

4. Ядер шість, тому молекулярна геометрія SF ₆ - октаедрична.

9.2.12.пнг