Геометрия молекул
Молекулярная геометрия — трёхмерное следствие распределения электронной плотности. Надёжная последовательность такова: построить структуру Льюиса, посчитать электронные области у центрального атома, расположить их по модели VSEPR и затем назвать молекулярную форму только по положениям атомов, исключив места неподелённых пар. Запись AXₙEₘ явно разделяет связанные атомы X и неподелённые пары E.
Наглядная модель
Интерактивная модель
От структуры Льюиса к форме
Одинарная, двойная или тройная связь в одном направлении считается одной электронной областью, и каждая неподелённая пара также считается одной областью. Две области дают линейную, три — плоско-треугольную, четыре — тетраэдрическую геометрию электронных областей. VSEPR не изображает электроны как твёрдые шарики, а приближённо учитывает стремление областей электронной плотности разойтись.
Геометрия областей и форма молекулы различаются
У NH₃ четыре электронные области, поэтому их геометрия тетраэдрическая. Но атомов вокруг N только три, а четвёртое место занимает неподелённая пара: AX₃E даёт тригонально-пирамидальную форму. H₂O — AX₂E₂ и имеет угловую форму. Это различие предотвращает ошибку, когда любую систему с четырьмя областями называют тетраэдрической молекулой.
Неподелённые пары уменьшают углы
Электронная плотность неподелённой пары сосредоточена около одного ядра и занимает больше углового пространства, чем связывающая пара. Качественный порядок отталкивания LP–LP > LP–BP > BP–BP. Поэтому идеальный тетраэдрический угол 109,5° уменьшается примерно до 107° в NH₃ и 104,5° в H₂O. Реальные углы дополнительно зависят от кратных связей, электроотрицательности и размеров заместителей.
Пять и шесть областей
Пять областей образуют тригональную бипирамиду с неэквивалентными аксиальными и экваториальными позициями. Неподелённая пара предпочитает экваториальное положение из-за меньшего числа контактов 90°, поэтому SF₄ имеет форму качелей, а ClF₃ — T-образную. Шесть областей дают октаэдр; одна неподелённая пара приводит к квадратной пирамиде, а две противоположные — к квадратноплоскому XeF₄.
Форма связывает структуру с полярностью
Геометрия задаёт векторную сумму диполей связей и тем самым помогает прогнозировать полярность. VSEPR очень полезна для многих молекул главных подгрупп, но не является универсальной теорией связи. Комплексы переходных металлов, сильная делокализация и тонкие энергетические эффекты требуют более развитых моделей. Реальную геометрию проверяют электронной дифракцией, вращательной спектроскопией, рентгеновской или нейтронной дифракцией.
Задачи
NH₃
Какова геометрия электронных областей и молекулярная форма NH₃?
Решение: Четыре области дают тетраэдрическую геометрию областей; AX₃E имеет тригонально-пирамидальную молекулярную форму.
SF₄
Почему неподелённая пара в SF₄ предпочитает экваториальную позицию?
Решение: Там меньше взаимодействий под углом 90°, поэтому электронное отталкивание ниже.
XeF₄
У Xe шесть областей, две из них неподелённые пары. Какая форма остаётся?
Решение: Из октаэдрического расположения при двух противоположных неподелённых парах получается квадратноплоская форма AX₄E₂.