Введіть формулу молекули, щоб проаналізувати структуру Льюїса, геометрію VSEPR, гібридизацію, валентний кут і полярність. Використовує вбудовані дані для понад 50 поширених молекул.
Формальний заряд = валентні − неподілена пара − ½(зв'язувальні). Для всієї молекули аналізуйте кожен атом окремо.
Передбачте геометрію молекули за стеричним числом (електронними доменами) і неподіленими парами. Позначення AXnEm.
Визначте гібридизацію за стеричним числом: 2→sp, 3→sp², 4→sp³, 5→sp³d, 6→sp³d².
Визначте полярність молекули за геометрією та симетрією зв'язків. Аналізується взаємне скасування дипольних моментів зв'язків.
Хімічний зв'язок — це те, що знижує енергію набору атомів, коли вони лишаються разом. Атоми розподіляють свої електрони трьома широкими способами: передають їх (іонний), спільно використовують між двома ядрами (ковалентний) або об'єднують по всій ґратці (металевий). Реальні речовини — це континуум: спільне використання в зв'язку C–H набагато рівноправніше, ніж в O–H, — але кожна структура на цій сторінці збудована на одному питанні: за наявності валентних електронів, де мають опинитися атоми?
Одне правило, яке варто запам'ятати: відштовхування ранжується так: неподілена пара–неподілена пара > неподілена пара–зв'язок > зв'язок–зв'язок. Неподілені пари утримує лише одне ядро, тому вони розтікаються ширше за зв'язуючі пари й стискають зв'язки — тому CH4 має 109,5°, а H2O — 104,5°.
Три родини зв'язків
Aspect
Іонний
Ковалентний
Металевий
Що відбувається
Електрони переходять від металу до неметалу; протилежні заряди притягуються
Електронні пари, спільні для двох ядер
Електрони делокалізовані по всіх катіонах металу
Приклад
NaCl, MgO
H2O, CO2, diamond
Cu, Fe
Типова поведінка
Висока температура плавлення, крихкий, проводить струм лише в розплаві або розчині
Чіткі форми молекул, низькі температури кипіння (молекулярні тверді речовини)
Проводить струм у твердому стані, ковкий, блискучий
Різниця електронегативності ΔEN впорядковує континуум: поблизу 0 спільне використання рівне (неполярний ковалентний), приблизно 0,4–1,7 — несиметричне (полярний ковалентний), а понад близько 1,7 зазвичай виграє повний опис передачі. Електронегативність зростає вправо і вгору періодичної таблиці, тому F тягне найсильніше.
Полярність зв'язку проти полярності молекули
Полярний зв'язок має дипольний момент зв'язку — крихітний вектор, що вказує від позитивного кінця до негативного (жадібного до електронів) атома. Чи полярна сама молекула, — питання геометрії: додайте вектори. CO2 і H2O обидва мають сильно полярні зв'язки, але CO2 лінійний (AX2, 180°), тож його два диполі спрямовані протилежно і скасовуються, тоді як H2O зігнутий (AX2E2, 104,5°), тож вони підсилюють одне одного до чистого дипольного моменту 1,85 D. Панель полярності вище виконує саме це міркування для кожної геометрії.
VSEPR: форма з підрахунку доменів
Теорія відштовхування електронних пар валентної оболонки передбачає форму, рахуючи електронні домени навколо центрального атома — кожен одинарний, подвійний або потрійний зв'язок рахується як один домен, так само як і кожна неподілена пара. Два домени розташовуються лінійно, три — тригонально-плоско, чотири — тетраедрично, п'ять — тригонально-біпірамідально, шість — октаедрично. Запис AXE фіксує відповідь: центральний атом A, Xn зв'язаних атомів, Em неподілених пар. Спостерігайте, як кути стискаються, коли неподілені пари замінюють зв'язки в ізоелектронному ряді CH4 (109,5°) → NH3 (107°) → H2O (104,5°): ті самі чотири домени, але більше з них неподілених. Геометрія молекули відрізняється від геометрії електронних доменів щоразу, коли є неподілені пари — домени води тетраедричні, хоча атоми утворюють зігнуту форму. Тому дві неподілені пари води згинають її до 104,5°, тоді як два подвійні зв'язки CO2 лишають його жорстко лінійним.
Гібридизація і формальний заряд
Теорія валентних зв'язків пояснює спрямовані зв'язки цих геометрій, змішуючи s- та p-орбіталі атома в гібриди, які вказують туди, куди вказують домени: 2 домени → sp (180°), 3 → sp² (120°), 4 → sp³ (109,5°), 5 → sp³d, 6 → sp³d². Сприймайте позначку як облік «стільки рівноцінних напрямків», а не як буквальний рецепт. Формальний заряд — доповняльний облік того, яку структуру Льюїса малювати: FC = валентні електрони − електрони неподілених пар − половина електронів зв'язку. Вуглець у CH4 отримує 4 − 0 − 4 = 0; найкраща структура — та, що мінімізує формальні заряди і прибирає їх з внутрішніх атомів. Резонанс — це чесне визнання того, що одного малюнка недостатньо: обидва зв'язки S–O у SO2 еквівалентні з порядком зв'язку 1,5, а не чергуються одинарний і подвійний.
Гнучкість октету
Атоми другого періоду (C, N, O, F) суворо обмежені восьмьма електронами. Понад це межі стають м'якшими: BF3 виживає з лише шістьма навколо бору (роблячи його голодним акцептором електронних пар), тоді як атоми третього періоду і важчі розширюються без протесту — PCl5 і SF6 мають 10 і 12, а XeF4 поміщає чотири зв'язки плюс дві неподілені пари в октаедричне розташування, сплощуючись до квадратно-плоского.
Поширені хибні уявлення
Полярні зв'язки утворюють полярну молекулу. Лише якщо геометрія їх не скасовує — CO2, BF3, CH4, SF6 і XeF4 усі мають полярні або однакові зв'язки, розташовані досить симетрично, щоб бути неполярними.
Подвійний зв'язок — це два домени. Він відштовхує як один товстий домен; два подвійні зв'язки C=O у CO2 все одно дають стеричне число 2 і лінійну форму.
Геометрія молекули = електронна геометрія. Це правда лише за відсутності неподілених пар; домени NH3 тетраедричні, його атоми — тригонально-пірамідальні.
Структура Льюїса — це і є молекула. Це облікова схема; резонанс (SO2), делокалізація (бензол) і вимірювання (обидва зв'язки S–O однакові) рутинно переважають будь-який окремий малюнок.
