Введите формулу молекулы, чтобы проанализировать структуру Льюиса, геометрию VSEPR, гибридизацию, валентный угол и полярность. Используются встроенные данные для более чем 50 распространённых молекул.
Формальный заряд = валентные − неподелённые − ½(связывающие). Для всей молекулы анализируйте каждый атом отдельно.
Предсказание геометрии молекулы по стерическому числу (электронные домены) и неподелённым парам. Обозначение AXnEm.
Определение гибридизации по стерическому числу: 2→sp, 3→sp², 4→sp³, 5→sp³d, 6→sp³d².
Определение полярности молекулы по геометрии и симметрии связей. Анализируется взаимная компенсация дипольных моментов связей.
Химическая связь — это то, что понижает энергию набора атомов, когда они остаются связанными. Атомы распределяют свои электроны тремя широкими способами: передают их (ионная связь), делят их между двумя ядрами (ковалентная связь) или объединяют их по всей решётке (металлическая связь). Реальные вещества образуют непрерывный ряд — разделение электронов в связи C–H гораздо более равномерно, чем в связи O–H, — но каждая структура на этой странице построена на одном вопросе: при заданных валентных электронах, где должны оказаться атомы?
Одно правило, которое нужно запомнить: отталкивание ранжируется так: неподелённая пара–неподелённая пара > неподелённая пара–связь > связь–связь. Неподелённые пары удерживаются только одним ядром, поэтому они занимают больше места, чем связывающие пары, и сжимают связи — поэтому у CH4 угол 109,5°, а у H2O 104,5°.
Три семейства связей
Aspect
Ионная
Ковалентная
Металлическая
Что происходит
Электроны переходят от металла к неметаллу; противоположные заряды притягиваются
Электронные пары, общие для двух ядер
Электроны делокализованы по всем катионам металла
Пример
NaCl, MgO
H2O, CO2, diamond
Cu, Fe
Типичное поведение
Высокая температура плавления, хрупкость, проводит ток только в расплаве или растворе
Определённые молекулярные формы, низкие температуры кипения (молекулярные твёрдые тела)
Проводит ток в твёрдом состоянии, ковкий, блестящий
Разность электроотрицательностей ΔEN упорядочивает непрерывный ряд: около 0 разделение равномерно (неполярная ковалентная связь), примерно от 0,4 до 1,7 — несимметрично (полярная ковалентная связь), а при значениях больше примерно 1,7 обычно побеждает описание полной передачи электрона. Электроотрицательность растёт вправо и вверх по периодической таблице, поэтому F тянет сильнее всех.
Полярность связи и полярность молекулы
У полярной связи есть дипольный момент связи — крошечный вектор, направленный от положительного конца к отрицательному (жадному до электронов) атому. Полярна ли молекула, — вопрос геометрии: сложите векторы. CO2 и H2O содержат сильно полярные связи, но CO2 линейна (AX2, 180°), поэтому её два диполя направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, а H2O угловая (AX2E2, 104,5°), поэтому диполи складываются в суммарный дипольный момент 1,85 D. Панель полярности выше выполняет именно это рассуждение для каждой геометрии.
VSEPR: форма по подсчитанным доменам
Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки предсказывает форму, подсчитывая электронные домены вокруг центрального атома — каждая одинарная, двойная или тройная связь считается за один домен, как и каждая неподелённая пара. Два домена располагаются линейно, три — треугольно-плоско, четыре — тетраэдрически, пять — тригонально-бипирамидально, шесть — октаэдрически. Обозначение AXE фиксирует ответ: A — центральный атом, Xn — связанные атомы, Em — неподелённые пары. Наблюдайте, как углы сжимаются, когда неподелённые пары заменяют связи в изоэлектронном ряду CH4 (109,5°) → NH3 (107°) → H2O (104,5°): те же четыре домена, но больше из них неподелённые. Геометрия молекулы отличается от геометрии электронных доменов, когда есть неподелённые пары: домены воды тетраэдрические, хотя атомы образуют угловую форму. Именно поэтому две неподелённые пары воды сгибают её до 104,5°, тогда как две двойные связи CO2 оставляют её жёстко линейной.
Гибридизация и формальный заряд
Теория валентных связей объясняет направленные связи этих геометрий, смешивая s- и p-орбитали атома в гибриды, которые указывают туда же, куда домены: 2 домена → sp (180°), 3 → sp² (120°), 4 → sp³ (109,5°), 5 → sp³d, 6 → sp³d². Относитесь к метке как к учёту «стольких эквивалентных направлений», а не как к буквальному рецепту. Формальный заряд — дополняющий учёт того, какую структуру Льюиса рисовать: FC = валентные электроны − электроны неподелённых пар − половина связывающих электронов. Углерод в CH4 получает 4 − 0 − 4 = 0; лучшая структура — та, которая минимизирует формальные заряды и выносит их с внутренних атомов. Резонанс — это честное признание того, что одного рисунка недостаточно: обе связи S–O в SO2 эквивалентны при порядке связи 1,5, а не чередуются как одинарная и двойная.
Гибкость октета
Атомы второго периода (C, N, O, F) строго ограничены восемью электронами. Дальше правила смягчаются: BF3 существует лишь с шестью вокруг бора (что делает его жадным акцептором электронной пары), тогда как атомы третьего периода и тяжелее расширяют октет без возражений — PCl5 и SF6 удерживают 10 и 12, а XeF4 размещает четыре связи и две неподелённые пары в октаэдрическом расположении, уплощаясь до квадратной плоской формы.
Распространённые заблуждения
Полярные связи делают молекулу полярной. Только если геометрия их не компенсирует — CO2, BF3, CH4, SF6 и XeF4 содержат полярные или одинаковые связи, расположенные достаточно симметрично, чтобы быть неполярными.
Двойная связь — это два домена. Она отталкивает как один толстый домен; две двойные связи C=O у CO2 всё ещё дают стерическое число 2 и линейную форму.
Геометрия молекулы = геометрия электронов. Верно только без неподелённых пар; домены NH3 тетраэдрические, а её атомы образуют тригонально-пирамидальную форму.
Структура Льюиса — это и есть молекула. Это схема учёта; резонанс (SO2), делокализация (бензол) и измерение (обе связи S–O равны) регулярно важнее любого отдельного рисунка.
