Форма на молекулите и междумолекулни сили

1. Защо молекулите имат форма

Молекулите не са плоски рисунки на хартия – атомите в тях са разположени в пространството под определени ъгли. Формата на молекулата определя дали тя е полярна, как се привлича със съседите си и как реагира. В урока Химична връзка видяхме структурните : колко връзки и колко неподелени двойки има всеки атом. Сега ще разберем как от тях се получава формата.

О

Теория VSEPR

Теорията за отблъскването на електронните двойки във валентния слой (VSEPR) гласи: електронните области около централния атом се отблъскват и се разполагат възможно най-далеч една от друга. Електронна област е всяка връзка – единична, двойна или тройна (кратната връзка се брои за една област) – и всяка неподелена двойка.

Т

Неподелените двойки отблъскват по-силно

Неподелената двойка е по-близо до ядрото на централния атом и заема повече място от свързващата двойка. Затова отблъскването намалява в реда: неподелена – неподелена > неподелена – свързваща > свързваща – свързваща, и ъглите между връзките стават по-малки от идеалните.

Области	Неподелени двойки	Форма	Ъгъл	Пример
2	0	линейна	$180^\circ$	$\mathrm{CO_2},\ \mathrm{BeCl_2}$
3	0	плоска триъгълна	$120^\circ$	$\mathrm{BF_3}$
3	1	ъглова	$< 120^\circ$	$\mathrm{SO_2}\ (\approx 119^\circ)$
4	0	тетраедрична	$109{,}5^\circ$	$\mathrm{CH_4},\ \mathrm{CCl_4}$
4	1	тристенна пирамида	$< 109{,}5^\circ$	$\mathrm{NH_3}\ (\approx 107^\circ)$
4	2	ъглова	$< 109{,}5^\circ$	$\mathrm{H_2O}\ (\approx 104{,}5^\circ)$

Пример

Каква е формата на молекулата $\mathrm{NH_3}$ ?

Азотът има 5 валентни електрона; три от тях образуват връзки с трите водородни атома, а останалите два са неподелена двойка.
Около азота има $3 + 1 = 4$ електронни области – те сочат към върховете на тетраедър.
Атомите H заемат три от върховете, а неподелената двойка – четвъртия. Затова формата е тристенна пирамида с азот на върха, а ъгълът H–N–H е около $107^\circ$ – малко под $109{,}5^\circ$ .

Идеалният ъгъл в тетраедъра е $\arccos\left(-\tfrac{1}{3}\right) \approx 109{,}47^\circ$ . Самият тетраедър е разгледан в урока Стереометрия. В лабораторията избери молекула или сглоби своя и я завърти.

Или сглоби молекула AXₙEₘ сам:

свързани атоми:

неподелени двойки:

електронни области:4неподелени двойки:0форма:тетраедричнаъгъл:109,5°

💡 Формата на молекулата е разположението на атомите. Неподелените двойки определят посоките, но не се „виждат“ във формата: и CH₄, и NH₃, и H₂O имат по 4 електронни области, но са съответно тетраедър, пирамида и ъглова молекула. Двойната връзка (CO₂, SO₂) се брои за една област.

При 5 и 6 електронни области (елементи от 3. период нататък, като P, S, Cl, Xe) формите са тристенна бипирамида ( $\mathrm{PCl_5}$ , ъгли $90^\circ$ и $120^\circ$ ) и октаедър ( $\mathrm{SF_6}$ , ъгли $90^\circ$ ). В бипирамидата неподелените двойки заемат екваториалните места – там съседите им са по-далеч. Така се получават „люлката“ $\mathrm{SF_4}$ , Т-образната $\mathrm{ClF_3}$ и линейната $\mathrm{XeF_2}$ . В октаедъра две неподелени двойки застават една срещу друга – $\mathrm{XeF_4}$ е квадратна плоска молекула.

2. Полярни и неполярни молекули

В електронната двойка е изтеглена към по-електроотрицателния атом: той получава частичен отрицателен $\delta^-$ , а другият – частичен положителен $\delta^+$ . Такава връзка е малък електричен дипол (виж Електростатика). Диполът има посока – той е вектор.

О

Диполен момент

Диполният момент на два заряда

+q

и

-q

на разстояние

d

е

\mu = q \cdot d

. В химията се мери в дебаи:

1\ \mathrm{D} \approx 3{,}336 \cdot 10^{-30}\ \mathrm{C \cdot m}

. Диполният момент на молекулата е векторната сума от диполите на връзките (и приноса на неподелените двойки).

Т

Кога молекулата е полярна

Молекулата е полярна, ако векторната сума на диполите не е нула. Симетричните молекули (

\mathrm{CO_2}

,

\mathrm{BF_3}

,

\mathrm{CH_4}

,

\mathrm{CCl_4}

,

\mathrm{SF_6}

) са неполярни, дори връзките им да са полярни: диполите се компенсират. Ъгловите и пирамидалните молекули (

\mathrm{H_2O}

,

\mathrm{NH_3}

,

\mathrm{SO_2}

) са полярни.

Пример

Защо $\mathrm{CO_2}$ е неполярна, а $\mathrm{H_2O}$ – полярна?

И двете молекули имат по две полярни връзки, насочени към кислорода.
В линейната $\mathrm{CO_2}$ двата дипола са равни и противоположни – сумата е нула.
Във водата диполите са под ъгъл $104{,}5^\circ$ . За два равни дипола $\mu_b$ под ъгъл $\theta$ сумата е $\mu = 2\mu_b \cos\frac{\theta}{2}$ – различна от нула. Измереният диполен момент на водата е около $1{,}85\ \mathrm{D}$ .

Събирането на вектори е обяснено в урока Вектори. В лабораторията сините стрелки са диполите на връзките, а червената – тяхната сума.

завърт.20

ΔEN на връзките:O–H: 1,24сума (модел):1,52измерено:1,85 D

H₂O е полярна молекула – диполите на връзките не се компенсират.

💡 Тук диполът на всяка връзка е вектор с дължина ΔEN, насочен към по-електроотрицателния атом. Моделът казва правилно дали молекулата е полярна, но не и точно колко: реалният диполен момент (в дебаи, D) зависи и от неподелените двойки и от дължините на връзките. Завърти молекулата – сумата не зависи от това как я гледаме.

3. Междумолекулни сили

държат атомите в молекулата. Но защо водата е течност, а не газ от отделни молекули? Между самите молекули действат по-слаби сили на привличане – междумолекулни сили (често ги наричат общо сили на Ван дер Ваалс). Те определят температурите на топене и кипене, и повърхностното напрежение.

Вид	Между какви частици	Примери
Лондонски (дисперсионни) сили	между всички молекули и атоми	растат с размера и броя на електроните: $\mathrm{F_2}$ – газ, $\mathrm{I_2}$ – твърдо вещество
Дипол-диполно привличане	между полярни молекули	$\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{SO_2}$ , ацетон
Водородна връзка	H, свързан с F, O или N, и неподелена двойка на F, O или N от съседна молекула	$\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{HF}$ , $\mathrm{NH_3}$ , ДНК, белтъци

О

Лондонски (дисперсионни) сили

Електронният облак на всеки атом и молекула непрекъснато се колебае. За миг се появява малък дипол, който поляризира съседната молекула – и двете се привличат. Тези сили действат между всички частици, дори между атомите на благородните газове. Колкото повече електрони има молекулата и колкото е по-голяма повърхността ѝ, толкова са по-силни.

О

Водородна връзка

Привличане между водороден атом, свързан с много електроотрицателен атом (F, O или N), и неподелена двойка на F, O или N от друга молекула (или от друга част на същата молекула). Водородът е почти „оголен“ – малък и с голям частичен положителен заряд. Водородната връзка е по-силна от другите междумолекулни сили, но обикновено над 10 пъти по-слаба от ковалентната.

Водородните връзки обясняват много: водата кипи при 100 °C, а подобните ѝ, но по-тежки $\mathrm{H_2S}$ и $\mathrm{H_2Se}$ са газове. Двете вериги на ДНК се държат една за друга именно с водородни връзки между базите – достатъчно здраво, за да пазят информацията, и достатъчно слабо, за да се разделят при копиране. В леда всяка водна молекула образува четири водородни връзки и молекулите се подреждат в рехава решетка с много празно място – затова ледът е по-лек от водата.

H₂O:100 °C

💡 Надолу в групата молекулите стават по-големи и лондонските сили растат. NH₃, H₂O и HF „излизат“ от реда – между молекулите им има водородни връзки. Метанът няма такива и следва хода на групата.

Пример

Подредете по температура на кипене: $\mathrm{CH_4}$ , $\mathrm{HF}$ , $\mathrm{Ne}$ , $\mathrm{H_2O}$ . (Всички имат по 10 електрона.)

Броят на електроните е еднакъв, затова лондонските сили са сходни – решават другите сили.
$\mathrm{Ne}$ (−246 °C) и $\mathrm{CH_4}$ (−161,5 °C) имат само лондонски сили; метанът е по-голям и има по-голяма повърхност.
$\mathrm{HF}$ (19,5 °C) и $\mathrm{H_2O}$ (100 °C) имат водородни връзки. Всяка водна молекула може да участва в до четири водородни връзки (два водорода и две неподелени двойки), а HF – средно в по-малко.
Редът е $\mathrm{Ne} < \mathrm{CH_4} < \mathrm{HF} < \mathrm{H_2O}$ .

4. Последствия: разтворимост и повърхностно напрежение

Т

Подобното се разтваря в подобно

Полярните вещества и веществата с водородни връзки се разтварят добре в полярни разтворители като водата (захар, етанол, амоняк). Неполярните вещества (олио, восък, бензин, йод) се разтварят в неполярни разтворители. Причината: молекулите се смесват, ако привличането между различните молекули е сравнимо с това между еднаквите.

Затова олиото и водата не се смесват (видяхме ги в делителната фуния в урока Вещества, смеси и разделяне), петното от мазнина не се маха само с вода, а сапунът помага: молекулата му има полярен „край“, който обича водата, и дълга неполярна „опашка“, която обича мазнините.

Молекулите на повърхността на водата са привличани само навътре и отстрани – повърхността се държи като опъната ципа. Това е повърхностното напрежение; при водата то е голямо заради водородните връзки. Благодарение на него водомерките тичат по водата, а внимателно поставена игла може да плава, макар да е много по-плътна от водата.

5. Тренажор

Определи броя на електронните области и неподелените двойки, идеалния ъгъл, полярността или разликата в . Десетичните отговори въвеждай като 109,5.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\mathrm{BF_3}

Полярна ли е молекулата? Въведи 1 за „да“ и 0 за „не“.

6. Междумолекулните сили около нас

Ледът, гекончето на стената и газта в запалката – навсякъде действат едни и същи сили.

0 / 6

🧊 Айсберг

Плътността на леда е 0,917 g/cm³, а на морската вода – около 1,025 g/cm³. Каква част от плаващия айсберг е под водата?

🍾 Бутилка във фризера

Литър вода (1000 g) замръзва. С колко процента се увеличава обемът ѝ, ако плътността на леда е 0,917 g/cm³?

🦎 Краката на гекона

Според измервания от 2000 г. една микроскопична четинка от крака на гекон се задържа с около 200 µN (лондонски сили), а геконът токи има около 6,5 милиона четинки. Каква сила биха дали всички заедно и каква маса биха задържали ( $g = 9{,}81\ \mathrm{m/s^2}$ )?

💧 Вода без водородни връзки

$\mathrm{H_2S}$ кипи при −60 °C, а $\mathrm{H_2Se}$ – при −41 °C. Ако продължим същия ход нагоре в групата, при колко градуса би кипяла водата без водородни връзки и с колко градуса по-високо кипи тя в действителност?

⚖️ Колко е силна водородната връзка?

Водородната връзка между две водни молекули е около 20 kJ/mol, а ковалентната връзка O–H в молекулата – около 460 kJ/mol. (Единицата kJ/mol ще обясним в урока за мола – тук сравняваме само числата.) Колко пъти е по-силна ковалентната връзка?

⛽ Две молекули C₅H₁₂

Пентанът (права верига) кипи при 36,1 °C, а неопентанът (същата формула $\mathrm{C_5H_{12}}$ , но почти кълбовидна молекула) – при 9,5 °C. С колко градуса е по-висока температурата на кипене на пентана?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

7. ⚠️ Чести грешки

Формата и неподелените двойки

✗ $\displaystyle \mathrm{H_2O}$ е тетраедрична, защото има 4 области.

✓ Областите са 4, но формата се определя по атомите – водата е ъглова.

Двойната връзка

✗ В $\displaystyle \mathrm{CO_2}$ около въглерода има 4 области (две двойни връзки).

✓ Кратната връзка е една област – областите са 2 и молекулата е линейна.

Полярни връзки = полярна молекула

✗ $\displaystyle \mathrm{CCl_4}$ е полярна, защото връзките C–Cl са полярни.

✓ Симетричният тетраедър компенсира диполите – $\displaystyle \mathrm{CCl_4}$ е неполярна.

Какво се къса при кипене

✗ Когато водата кипи, връзките O–H се разкъсват.

✓ Късат се водородните връзки между молекулите; парата е пак $\displaystyle \mathrm{H_2O}$ .

Водородна връзка

✗ В $\displaystyle \mathrm{CH_4}$ има водородни връзки, защото има водород.

✓ Нужен е H, свързан с F, O или N. Метанът има само лондонски сили.

Ъгълът във водата

✗ Във водата ъгълът е $\displaystyle 180^\circ$ – двата водорода са срещуположно.

✓ Двете неподелени двойки огъват молекулата: ъгълът е около $\displaystyle 104{,}5^\circ$ .

8. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Каква е формата на молекулата $\displaystyle \mathrm{CO_2}$ ?

Избери отговор (или натисни 1–4)

9. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

10. Обобщение

✓ VSEPR: електронните области (връзки и неподелени двойки) се разполагат възможно най-далеч една от друга; кратната връзка е една област
✓ 2 области – линейна ( $180^\circ$ ), 3 – плоска триъгълна ( $120^\circ$ ), 4 – тетраедрична ( $109{,}5^\circ$ ); 5 – бипирамида, 6 – октаедър
✓ Неподелените двойки отблъскват по-силно: $\mathrm{NH_3}$ – ( $\approx 107^\circ$ ), $\mathrm{H_2O}$ – ъглова ( $\approx 104{,}5^\circ$ )
✓ Диполният момент на молекулата е векторна сума; симетричните молекули с полярни връзки са неполярни
✓ Междумолекулни сили: лондонски (всички, растат с размера), дипол-диполни (полярни молекули), водородни връзки (H към F, O, N)
✓ По-силни междумолекулни сили – по-висока температура на кипене; „подобното се разтваря в подобно“

💡 Интересен факт

Двете вериги на ДНК са свързани с водородни връзки между базите: аденинът и тиминът – с две, а гуанинът и цитозинът – с три. Всяка отделна връзка е слаба, но човешкият геном има около 3 милиарда двойки бази и общо те държат двойната спирала здраво. Затова при копиране могат да „разкопчаят“ веригите малко по малко, без да чупят в тях. Участъците с много G–C двойки се разделят по-трудно, защото там връзките са повече.

1. Защо молекулите имат форма

Теория VSEPR

Неподелените двойки отблъскват по-силно

Пример

2. Полярни и неполярни молекули

Диполен момент

Кога молекулата е полярна

Пример

3. Междумолекулни сили

Лондонски (дисперсионни) сили

Водородна връзка

Пример

4. Последствия: разтворимост и повърхностно напрежение

Подобното се разтваря в подобно

5. Тренажор

6. Междумолекулните сили около нас

7. ⚠️ Чести грешки

8. 🎯 Бърз тест

Каква е формата на молекулата CO2\displaystyle \mathrm{CO_2}CO2​?

9. 📝 Задачи за упражнение

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

10. Обобщение

Каква е формата на молекулата $\displaystyle \mathrm{CO_2}$ ?