§ Х-2 Гібридизація орбіталей і просторова геометрія молекул (ГЕПВО) (9–11 клас · Хімія)
Лінійна sp (180°), тригональна sp² (120°), тетраедрична sp³ (109.5°) і неподілені пари. Електронні пари валентної оболонки центрального атома розташовуються у тривимірному просторі так, щоб кулонівське відштовхування між ними було мінімальним.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Модель відштовхування електронних пар валентної оболонки (ГЕПВО / VSEPR, Гіллеспі, Найхолм) пояснює просторову архітектуру ковалентних молекул AXₙEₘ. Електронні пари валентного рівня центрального атома A (як зв’язуючі пари X, так і неподілені пари E) через кулонівське відштовхування та принцип Паулі розташовуються на максимальній кутовій відстані одна від одної на сфері навколо ядра.
Повне стеричне число S = n + m визначає базову геометрію електронних хмар: S = 2, лінійна (180^°, sp-гібридизація, наприклад CO₂), S = 3, тригонально-пласка (120^°, sp², BF₃), S = 4, тетраедрична (109.5^°, sp³, CH₄). Оскільки неподілена електронна пара E притягується лише одним ядром, її хмара займає більший кутовий об’єм: відштовхування спадає у ряду E–E > E–X > X–X. Тому в аміаку NH₃ (AX₃E₁) кут стискається до 107.3^°, а у воді H₂O (AX₂E₂), до 104.5^°.
Електрична полярність молекули визначається векторною сумою дипольних моментів окремих зв’язків μ_сум = ∑ᵢ=1^n μᵢ. У симетричних молекулах без вільних пар (AX₂, AX₃, AX₄) вектори диполів взаємно компенсуються (|μ_сум| = 0, молекула неполярна), тоді як наявність неподілених пар E порушує центральну симетрію і створює значний власний дипольний момент (наприклад, μ(H₂O) = 1.85 Д).
Приклад із життя
Уяви, що ти зв’язав за хвостики 2, 3 або 4 надуті повітряні кульки: вони самі відштовхнуться одна від одної так, щоб зайняти максимально далекі кути у просторі (180^°, 120^° або тетраедр 109.5^°)! А неподілена електронна пара E, це ніби більша й ширша кулька, яка сильніше стискає сусідні зв’язки.
Контрольне запитання та розв’язання
Чому валентний кут ∠H–O–H у молекулі води H₂O (104.5^°) і кут ∠H–N–H в амоніаку NH₃ (107.3^°) менші за ідеальний тетраедричний кут метану CH₄ (109.5^°)?
- А: Тому що неподілені електронні пари (E) притягуються лише одним ядром, займають більший кутовий об’єм поблизу центрального атома і сильніше відштовхують зв’язувальні пари (НГ–НГ > НГ–ЗП > ЗП–ЗП)
- Б: Тому що атоми Гідрогену мають позитивний заряд і притягуються один до одного
- В: Тому що в молекулах NH₃ та H₂O відсутня гібридизація валентних орбіталей
Підказка: У симетричному метані CH₄ (n=4, m=0) усі 4 електронні пари однакові, тому кут дорівнює 109.5^°. Коли ж ми замінюємо атоми на неподілені електронні пари E (в NH₃ та H₂O), чи сильніше відштовхують сусідів об’ємні хмари вільних пар E, зменшуючи кут між зв’язками?
Доведення: За моделлю ГЕПВО (VSEPR) у CH₄, NH₃ та H₂O стеричне число центрального атома становить SN = 4 (sp³-гібридизація). Проте неподілена електронна пара (E) локалізована ближче до центрального ядра, ніж зв’язувальна пара (X), тому сильніше стискає валентні кути між хімічними зв’язками: 109.5^° → 107.3^° → 104.5^°.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
cos θ_тетр = -(1)/(3) ⇒ θ₀ = 109.47^°, μ_сум = ∑ᵢ=1^N μᵢ
- Тип молекули (1=BeCl₂, 2=BF₃, 3=CH₄, 4=NH₃, 5=H₂O): 1 … 5 (стандарт: 3)
- Між’ядерна довжина зв’язку d(A–X): 1.1 … 2 Å (стандарт: 1.5 Å)
- Різниця електронегативностей Δχ: 0.4 … 1.8 (стандарт: 1)
- Амплітуда валентно-деформаційних коливань: 0 … 1 × (стандарт: 0.3 ×)