Почему у молекул такая форма

Атомы и связи

Атом — это крошечное ядро и облако электронов вокруг него. Когда два атома делят пару электронов, возникает ковалентная связь: общая пара притягивает оба ядра и удерживает их рядом.

В молекуле водорода H₂ одна общая пара — одинарная связь H–H. В молекуле кислорода O₂ пар две — двойная связь O=O.

Модель «шарики и палочки» показывает, кто с кем связан и под каким углом. Модель «заполненного пространства» — какого размера молекула на самом деле: шар атома — его ван-дер-ваальсов радиус, и облака соседей сильно перекрываются.

Метан CH₄ и отталкивание пар

У атома углерода в метане четыре электронные пары — по одной на каждую связь C–H. Все пары заряжены отрицательно и отталкиваются, поэтому расходятся как можно дальше друг от друга.

На листе бумаги четыре пары встали бы крестом — под 90°. Но молекула объёмная: в пространстве пары расходятся дальше, к вершинам тетраэдра, и угол H–C–H становится 109,5°.

Это главная идея теории отталкивания электронных пар (VSEPR, метод Гиллеспи): форму задаёт число пар вокруг центрального атома. Подвигайте ползунок — пары каждый раз сами находят самое «просторное» расположение.

Вода H₂O: почему она изогнута

У кислорода в воде тоже четыре пары. Две из них связывают его с атомами водорода, а две — неподелённые: они принадлежат только кислороду и никаких атомов не держат.

Четыре пары — снова тетраэдр. Но неподелённые пары «толще»: они ближе к ядру и отталкивают сильнее, чем связывающие. Они прижимают атомы водорода друг к другу и сжимают угол H–O–H с 109,5° до 104,5°.

Атомы мы видим, а пары — нет. Поэтому молекула выглядит не тетраэдром, а уголком. Из-за этого вода полярна: со стороны кислорода — частичный минус, со стороны водородов — плюс. Отсюда и её свойства: растворять соль, высоко кипеть для такой лёгкой молекулы.

Аммиак и углекислый газ: угадай форму

Правило уже знакомо: считаем все пары вокруг центрального атома — и связывающие, и неподелённые. Они расходятся к вершинам «своей» фигуры, а форму молекулы мы видим по одним атомам.

Одна тонкость: двойная связь считается за одно направление — обе её пары смотрят к одному и тому же атому.

Выберите форму для NH₃ и для CO₂ и нажмите «Проверить». Пока ответа нет, молекула в сцене «сомневается».

Каждая неподелённая пара сжимает угол между связями ещё немного.

Собери молекулу

Теперь вы конструктор. Выберите центральный атом и добавляйте к нему связи и неподелённые пары — кнопкой или перетаскиванием в сцену. Пары сами расталкиваются, и молекула на глазах принимает форму: это тот же расчёт, что в уроке 2, только пары теперь разные.

Неподелённая пара и кратная связь «толще» одинарной: они отталкивают сильнее и чуть сжимают углы между остальными связями. Сравните H₂O и NH₃ с метаном.

Подскажет и счётчик электронов. У центрального атома свои валентные электроны: у B — 3, у C — 4, у N — 5, у O и S — 6. Каждая чёрточка связи забирает у центра один электрон, неподелённая пара — два. Когда все электроны при деле, молекула может существовать.

Горение метана: ничто не исчезает

CH₄ + 2O₂→CO₂ + 2H₂O

Когда горит природный газ, молекулы метана сталкиваются с молекулами кислорода. Старые связи рвутся, атомы перегруппировываются и собираются в новые молекулы — углекислый газ и воду.

Атомы при этом не появляются и не исчезают: слева и справа 1 атом C, 4 атома H и 4 атома O. Поэтому перед O₂ и H₂O стоит коэффициент 2 — так уравнение уравнено.

Рвутся 4 связи C–H и 2 связи O=O, образуются 2 связи C=O и 4 связи O–H. Новые связи в сумме прочнее старых, поэтому энергия выделяется: около 890 кДж на моль метана — так греет газовая плита.

Итог

Шесть вопросов — по одному на каждый урок. Ответ проверяется сразу. За верный ответ — штамп в зачётке, а молекула урока в сцене оживает и обретает цвет.

А потом — игра на время: восемь молекул по очереди вспыхивают в сцене, и нужно как можно быстрее назвать их форму. Лучший результат запоминается.