Форма молекул (VSEPR)

Связи метана расходятся под углом 109.5°, аммиака под 107°, воды под 104.5°. У каждой молекулы вокруг центра четыре электронные пары.

Свяжи четыре воздушных шарика горлышками, и они сами примут определённую форму: будут смотреть в вершины тетраэдра, как можно дальше друг от друга. Электронные пары вокруг атома ведут себя очень похоже. Все они заряжены отрицательно, отталкиваются друг от друга и расходятся так, чтобы отталкивание было минимальным. Форма молекулы получается из того, где в итоге окажутся пары.

Эта идея называется теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки, сокращённо VSEPR (по-русски ОЭПВО), и её изложили Рональд Гиллеспи и Рональд Найхолм в 1957 году. Чтобы ею пользоваться, посчитай области электронной плотности вокруг центрального атома. Одинарная, двойная или тройная связь считается одной областью, потому что все её электроны направлены в одну сторону. Неподелённая пара, то есть пара электронов, которая принадлежит атому, но не участвует в связи, тоже считается одной областью.

Две, три и четыре области

Две области направлены в противоположные стороны, под углом 180°, и молекула получается линейной. У углекислого газа, O=C=O, две двойные связи и нет неподелённых пар у углерода, поэтому он вытянут в прямую. Три области расходятся плоским треугольником под углом 120°: плоская треугольная форма. У каждого углерода в этилене три области (две связи C-H и двойная связь C=C), и вся молекула плоская; измеренный угол H-C-H равен 117.6°, близко к идеальному. Четыре области направлены в вершины тетраэдра под углом 109.5°. Классический пример: метан.

Неподелённые пары сжимают угол

У аммиака и воды вокруг центрального атома тоже четыре области, но некоторые из них являются неподелёнными парами. У азота в NH₃ три связи и одна неподелённая пара, у кислорода в H₂O две связи и две неподелённые пары. Неподелённую пару удерживает только одно ядро, поэтому она располагается ближе к своему атому и давит на соседние связи сильнее, чем связывающая пара. Связи сжимаются. В аммиаке угол H-N-H уменьшается с 109.5° примерно до 107°, а в воде с двумя неподелёнными парами угол H-O-H сжимается ещё сильнее, до 104.5°.

Название формы описывает положение атомов, а не неподелённых пар. Аммиак называют тригонально-пирамидальным: это низкая пирамида с азотом наверху. Воду называют угловой. Включи «Неподелённые пары» в модели, и ты увидишь невидимую четвёртую вершину тетраэдра аммиака и две вершины, которые дополняют тетраэдр воды. Модель рисует их жёлтыми долями с двумя маленькими точками для электронов; настоящие неподелённые пары являются облаками заряда без резких краёв.

У крупных молекул больше одного центра, и к каждому применяют те же правила. В этане у каждого углерода четыре одинарные связи, поэтому каждый углерод тетраэдрический, и молекула изгибается зигзагом в трёх измерениях. В метаноле, CH₃OH, углерод тетраэдрический, а кислород с двумя связями и двумя неподелёнными парами угловой, как кислород в воде. Бензол является противоположным случаем: у каждого из шести его углеродов три области, поэтому все двенадцать атомов лежат в плоском шестиугольнике с углами 120°. Выбери каждую из этих молекул в модели и посмотри на неё с ребра, чтобы проверить.