Почему молекула воды согнута, а углекислого газа прямая? Задавай число связей и неподеленных пар у центрального атома и крути молекулу в 3D.
Вокруг центрального атома молекулы есть несколько областей, где сидят электроны: это связи с соседями и неподеленные пары, которые ни с кем не связаны. Все они заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга. Поэтому они располагаются в пространстве так, чтобы оказаться как можно дальше друг от друга. Две области встают в линию, три в плоский треугольник, четыре по вершинам тетраэдра. Модель так и называется: отталкивание электронных пар валентной оболочки, по-английски VSEPR.
Форму молекулы определяют только атомы, а неподеленные пары невидимы, но они тоже занимают место и даже больше, чем связи. У воды вокруг кислорода четыре области: две связи и две неподеленные пары. Пары расходятся по тетраэдру, а атомы водорода оказываются под углом. Так вода и становится угловой, а это делает ее полярной.
ⓘ Углы для готовых молекул взяты из измерений. Для произвольного набора X и E угол оценен по модели VSEPR: каждая неподеленная пара сжимает угол между связями примерно на 2,5°.
Достаточно посчитать электроны центрального атома. Сначала узнаем число электронных областей, по нему расположение пар, затем убираем невидимые неподеленные пары и получаем форму. Числа под формулами считаются для молекулы из опыта.
Сколько областей вокруг атома?
Число электронных областей, или стерическое число. Оно задает, как расставить области: 2 в линию, 3 треугольником, 4 тетраэдром, 5 бипирамидой, 6 октаэдром.
Сколько неподеленных пар?
Из внешних электронов центрального атома вычитаем те, что ушли на связи, а оставшиеся делим на пары. Для воды: у кислорода 6 внешних электронов, 2 ушли на связи с водородом, остается 4, это 2 пары.
Какой угол у тетраэдра?
Четыре области, разнесенные в пространстве как можно дальше, дают угол 109,5°. Неподеленная пара толще связи и сжимает соседние связи: у аммиака 107°, у воды 104,5°.
У кислорода в воде четыре электронные области: две связи O–H и две неподеленные пары. Четыре области расходятся по тетраэдру. Атомы водорода занимают две вершины, а две другие вершины заняты невидимыми парами. Поэтому вода согнута. Неподеленные пары больше и сильнее отталкивают, чем связи, и сжимают угол H–O–H с 109,5° до 104,5°.
Связь O–H полярная: кислород тянет электроны к себе, и на нем частичный минус. Каждая связь это маленький диполь, стрелка от водорода к кислороду. В согнутой молекуле две стрелки складываются, и у молекулы есть плюсовой конец (водороды) и минусовой (кислород). Дипольный момент воды 1,85 D.
В CO₂ связи C=O тоже полярные, но у углерода нет неподеленных пар, две области встают в линию, и стрелки смотрят строго в разные стороны. Они гасят друг друга, и молекула в целом неполярна. Вот почему вода кипит при 100 °C, а углекислый газ при −78 °C уже переходит из твердого в газ: полярные молекулы воды сильно притягиваются друг к другу.
Молекула SF₆ это правильный октаэдр: шесть атомов фтора закрывают серу со всех сторон, диполи гасятся. Газ очень устойчив и не проводит ток, поэтому им заполняют высоковольтные выключатели и комплектные распределительные устройства подстанций.
Угловые полярные молекулы воды поворачиваются вслед за переменным электрическим полем и греют вещество изнутри. На этом работают СВЧ-печи и промышленные установки сушки и размораживания материалов.
Молекулы флотореагентов имеют полярную «голову» и неполярный углеводородный «хвост». Голова цепляется за зерно минерала, хвост смотрит в воду и делает зерно несмачиваемым, и оно всплывает с пузырьками воздуха в пену. Так обогащают медные, золотые и полиметаллические руды.
Пирамидальная молекула NH₃ полярна и легко сжижается, поэтому аммиак используют в крупных холодильных установках. Он же основа азотных удобрений и аммиачной селитры для взрывных работ в горном деле.
Почему масло не смешивается с водой, а спирт смешивается: у спирта есть полярная группа O–H угловой формы, как у воды. По форме и полярности молекул подбирают растворители для очистки деталей и присадки к маслам.
Линейная CO₂ и угловая H₂O по-разному колеблются и поглощают инфракрасный свет. На этом поглощении работают газоанализаторы CO₂ и метана в шахтах и котельных, и по той же причине эти газы удерживают тепло в атмосфере.
Модель VSEPR учитывает только отталкивание электронных областей и не считает энергию по законам квантовой механики, но для молекул из элементов главных групп она почти всегда угадывает форму. Длины связей на рисунке условные и одинаковые; на самом деле они зависят от атомов. Углы для готовых молекул взяты из измерений, для остальных оценены: каждая неподеленная пара сжимает угол между связями примерно на 2,5°. У тяжелых атомов, например в H₂S (92°) и PH₃ (93,5°), сжатие гораздо сильнее, модель этого не учитывает. В бипирамиде неподеленные пары всегда садятся в экваториальную плоскость, в октаэдре друг напротив друга, это правило модели. Для переходных металлов модель работает плохо. Полярность в опыте определяется только по симметрии: если все соседи одинаковые и расположены симметрично, диполи гасятся.