Введение

Изучение трехмерных форм молекул

Молекулярная геометрия – это трехмерное расположение атомов, составляющих молекулу. Она включает в себя общую форму молекулы, а также длины связей, углы между связями, торсионные углы и любые другие геометрические параметры, определяющие положение каждого атома. Молекулярная геометрия влияет на ряд свойств вещества, включая его реакционную способность, полярность, агрегатное состояние, цвет, магнетизм и биологическую активность. Углы между связями, которые образует атом, зависят лишь в небольшой степени от остальной части молекулы, то есть их можно рассматривать как приблизительно локальные и, следовательно, переносимые характеристики.

Склеивание

Молекулы, по определению, чаще всего соединяются ковалентными связями, включающими одинарные, двойные и/или тройные связи, где "связь" – это общая пара электронов (другой метод связывания между атомами называется ионной связью и включает положительный катион и отрицательный анион). Молекулярные геометрии могут быть определены с помощью "длин связей", "углов между связями" и "углов скручивания". Длина связи определяется как среднее расстояние между ядрами двух атомов, связанных друг с другом в данной молекуле. Угол между связями – это угол, образованный между тремя атомами через по крайней мере две связи. Для четырех атомов, связанных последовательно, угол скручивания – это угол между плоскостью, образованной первыми тремя атомами, и плоскостью, образованной последними тремя атомами. Существует математическая зависимость между углами между связями для одного центрального атома и четырех периферических атомов (обозначенных от 1 до 4), выраженная следующим определителем. Это ограничение уменьшает число степеней свободы от (первоначально) шести свободных углов между связями до пяти. (Углы θ11, θ22, θ33 и θ44 всегда равны нулю, и данное соотношение может быть модифицировано для другого числа периферических атомов путем расширения/сокращения квадратной матрицы.) Молекулярная геометрия определяется квантово-механическим поведением электронов. Используя приближение валентных связей, это можно понять, исходя из типа связей между атомами, составляющими молекулу. Когда атомы взаимодействуют, образуя химическую связь, атомные орбитали каждого атома объединяются в процессе, называемом орбитальной гибридизацией. Два наиболее распространенных типа связей – сигма-связи (обычно образуемые гибридными орбиталями) и пи-связи (образуемые негибридизированными p-орбиталями для атомов главных групп элементов). Геометрию также можно понять с помощью теории молекулярных орбиталей, где электроны делокализованы. Понимание волновой природы электронов в атомах и молекулах является предметом квантовой химии.

Типы молекулярной структуры

Угол связи — геометрический угол между двумя смежными связями. Некоторые распространенные формы простых молекул включают:
Линейная: в линейной модели атомы соединены по прямой линии. Угол связи равен 180°. Например, углекислый газ и оксид азота имеют линейную молекулярную форму. Тригонально-плоская: Молекулы с тригонально-плоской формой в некоторой степени треугольны и находятся в одной плоскости (плоские). Следовательно, угол связи равен 120°. Например, трифторид бора. Угловая: Угловые молекулы (также называемые изогнутыми или V-образными) имеют нелинейную форму. Например, вода (H2O), угол которой составляет около 105°. Молекула воды имеет две пары связанных электронов и две неподеленные одиночные пары. Тетраэдрическая: «Тетра» означает четыре, а «эдраль» относится к грани твердого тела, поэтому «тетраэдрический» буквально означает «имеющий четыре грани». Эта форма встречается, когда есть четыре связи, все на одном центральном атоме, без дополнительных неподеленных электронных пар. В соответствии с теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR), угол связи между электронными связями составляет arccos(−) = 109,47°. Например, метан (CH4) — тетраэдрическая молекула. Октаэдрическая: «Окта» означает восемь, а «эдраль» относится к грани твердого тела, поэтому «октаэдрический» означает «имеющий восемь граней». Угол связи равен 90 градусам. Например, гексафторид серы (SF6) — октаэдрическая молекула. Тригонально-пирамидальная: Тригонально-пирамидальная молекула имеет пирамидальную форму с треугольным основанием. В отличие от линейных и тригонально-плоских форм, но схожая с тетраэдрической ориентацией, пирамидальные формы требуют трех измерений для полного разделения электронов. Здесь только три пары связанных электронов, оставляя одну неподеленную одиночную пару. Отталкивание между неподеленной парой и парой связей изменяет угол связи с тетраэдрического угла на немного меньшее значение. Например, аммиак (NH3).

Таблица VSEPR

Углы между связями в таблице ниже – это идеальные углы, рассчитанные по простой теории VSEPR (произносится "Веспер"), за которыми следуют фактические углы для примеров, указанных в следующей колонке, если они отличаются. Во многих случаях, таких как тригональная пирамида и угловая (или V-образная) молекула, фактический угол для примера отличается от идеального, и эти отличия для разных примеров различны. Например, угол в H2S (92°) отличается от тетраэдрического угла значительно больше, чем угол в H2O (104,48°).

Атомы, связанные с центральным атомом | Одиночные пары | Количество электронных групп (стерическое число) | Форма | Идеальный угол связи (угол связи в примере) | Пример | Изображение
---|---|---|---|---|---|---
2 | 0 | 2 | Линейная | 180° | CO2 |
3 | 0 | 3 | Тригональная плоская | 120° | BF3 |
2 | 1 | 3 | Угловая | 120° (119°) | SO2 |
4 | 0 | 4 | Тетраэдрическая | 109,5° | CH4 |
3 | 1 | 4 | Тригональная пирамидальная | 109,5° (106,8°) | NH3 |
2 | 2 | 4 | Угловая | 109,5° (104,48°) | H2O |
5 | 0 | 5 | Тригональная бипирамидальная | 90°, 120° | PCl5 |
4 | 1 | 5 | "Вилы" (Seesaw) | 180° (173,1°), 120° (101,6°), 90° | SF4 |
3 | 2 | 5 | Т-образная | 90° (87,5°), 180° (175°) | ClF3 |
2 | 3 | 5 | Линейная | 180° | XeF2 |
6 | 0 | 6 | Октаэдрическая | 90°, 180° | SF6 |
5 | 1 | 6 | Квадратная пирамидальная | 90° (84,8°) | BrF5 |
4 | 2 | 6 | Квадратная плоская | 90°, 180° | XeF4 |
7 | 0 | 7 | Пентагональная бипирамидальная | 90°, 72°, 180° | IF7 |
6 | 1 | 7 | Пентагональная пирамидальная | 72°, 90°, 144° | XeOF5 |
5 | 2 | 7 | Пентагональная плоская | 72°, 144° | XeF5 |
8 | 0 | 8 | Квадратная антипризматическая | XeF8(2) |
9 | 0 | 9 | Тригональная призма с тремя колпачками | ReH9(2) |

3D-представления

Линия или палочка – атомные ядра не отображаются, представлены только связи в виде линий или палочек. Как и в двухмерных молекулярных структурах этого типа, атомы подразумеваются в каждой вершине. График электронной плотности – показывает плотность электронов, определенную кристаллографически или с помощью квантовой механики, а не отдельные атомы или связи. Модель «шар и палочка» – атомные ядра представлены сферами (шарами), а связи – палочками. Модели с объемным заполнением или CPK-модели (также цветовая схема атомов в представлениях) – молекула представлена перекрывающимися сферами, изображающими атомы. Схематичное представление (мультяшное) – представление, используемое для белков, где петли, бета-листы и альфа-спирали изображаются диаграмматически, без явного отображения атомов или связей (например, белковый каркас представлен в виде гладкой трубки). Чем большее количество неподеленных электронных пар содержит молекула, тем меньше углы между атомами этой молекулы. Теория VSEPR предсказывает, что неподеленные электронные пары отталкиваются друг от друга, отталкивая другие атомы от себя.