Молекулярна геометрія

Геометрію молекули зручно передбачати послідовністю: побудувати структуру Льюїса, порахувати електронні області навколо центрального атома, застосувати VSEPR і лише потім назвати форму за положенням атомів. Подвійний або потрійний зв’язок рахується як одна область. Неподілені пари входять до електронної геометрії, але не входять до назви молекулярної форми.

Ключові співвідношення: AXₙEₘ → число електронних областей → електронна геометрія → форма молекули

Наочна модель

AX₂180°AX₃ENH₃ ≈107°AX₄E₂XeF₄Схема концептуальна і не виконана в масштабі.

Інтерактивна модель

Електронні області і позначення AXₙEₘ

У VSEPR A — центральний атом, X — зв’язані атоми, E — неподілені пари на A. Кожен одинарний, подвійний чи потрійний зв’язок займає одну область напрямку електронної густини. Дві області дають лінійну електронну геометрію, три — тригонально-планарну, чотири — тетраедричну, п’ять — тригонально-біпірамідальну, шість — октаедричну.

Електронна геометрія не завжди є формою молекули

CH₄ має AX₄ і тетраедричну форму. NH₃ — AX₃E: електронні області все ще тетраедричні, але атоми утворюють тригональну піраміду. H₂O — AX₂E₂ і є зігнутою. Отже, під час називання молекулярної геометрії уявно приховують неподілені пари, хоча саме вони суттєво впливають на кути зв’язків.

Чому кути стискаються

Відштовхування неподілена пара–неподілена пара сильніше за неподілена пара–зв’язкова пара, а останнє сильніше за зв’язкова пара–зв’язкова пара. Ідеальний тетраедричний кут CH₄ дорівнює 109,5°. У NH₃ він зменшується приблизно до 107°, а в H₂O — до 104,5°, бо неподілені пари займають більше кутового простору поблизу центрального атома.

П’ять областей і перевага екваторіальних позицій

У тригонально-біпірамідальній геометрії є три екваторіальні та дві аксіальні позиції. Неподілена пара зазвичай займає екваторіальне місце, де менше несприятливих взаємодій під 90°. Тому SF₄ (AX₄E) має форму «гойдалки», ClF₃ (AX₃E₂) — T-подібну, а XeF₂ (AX₂E₃) — лінійну.

Шість областей і квадратна площина

Для шести областей базова геометрія октаедрична. AX₆, як SF₆, є октаедричною. Одна неподілена пара дає квадратнопірамідальну форму AX₅E. Дві пари в протилежних положеннях залишають чотири атоми в одній площині, як у XeF₄ (AX₄E₂), що пояснює його квадратнопланарну форму й компенсацію зв’язкових диполів. Реальні кути можуть відхилятися від ідеальних значень також через різну електронегативність замісників, кратність зв’язків і стеричні ефекти; VSEPR передусім дає якісну топологію, а точні геометричні параметри визначають експериментом або квантовохімічним розрахунком.

Завдання

NH₃

Яка форма NH₃ за VSEPR?

Розв’язання: NH₃ — AX₃E: електронна геометрія тетраедрична, молекулярна форма — тригональна піраміда.

H₂O

Чому кут H–O–H менший за 109,5°?

Розв’язання: Дві неподілені пари на O відштовхують зв’язкові області сильніше й стискають кут до приблизно 104,5°.

XeF₄

Яка форма XeF₄?

Розв’язання: AX₄E₂ у шести електронних областях дає квадратнопланарну молекулярну форму.