Мы знаем, что атомы соединяются химическими связями. Но связи направлены в пространстве, и от того, как именно они расположены, зависят свойства молекулы: температура кипения, растворимость, реакционная способность. Здесь два ключевых инструмента: метод ОВЭП Гиллеспи (определяет геометрию) и дипольный момент (определяет полярность).

1. Метод ОВЭП Гиллеспи

Полное название — метод отталкивания валентных электронных пар (ОВЭП). Идея проста: электронные пары вокруг центрального атома отталкиваются друг от друга и располагаются в пространстве так, чтобы отталкивание было минимальным.

Чтобы применить метод, нужно посчитать стерическое число (СЧ):

СЧ = (число σ-связей) + (число неподелённых пар на центральном атоме)

Обрати внимание: считаются только σ-связи. π-связи и кратные связи учитываются как одна σ (например, в молекуле C=O — это одна σ-связь при подсчёте СЧ, а π учитывается отдельно при определении кратности).

Почему только σ? Потому что σ-связи и неподелённые пары направлены в пространстве — именно они определяют геометрию. π-связи «размазаны» с боков и не влияют на расположение атомов вокруг центра.

2. Как считать СЧ: алгоритм

  1. Найти центральный атом — тот, который соединён с несколькими другими.
  2. Посчитать число σ-связей. Проще всего — по структурной формуле: каждая одинарная линия = одна σ. Двойная = одна σ + одна π. Тройная = одна σ + две π.
  3. Посчитать неподелённые пары на центральном атоме. Формула: НП = (валентные электроны − число связей × 2 − число π-связей × 2) / 2.
  4. Сложить: СЧ = σ + НП.
  5. По СЧ определить геометрию (см. таблицу ниже).

3. Таблица: СЧ → геометрия

Это основная шпаргалка. Пользуйся ей, пока не запомнишь:

Стерическое число → форма молекулы СЧ σ-связи НП Расположение пар Форма 2 2 0 линейное 180° 3 3 0 треугольник 120° 3 2 1 треугольник угловая <120° 4 4 0 тетраэдр 109,5° 4 3 1 тетраэдр пирамида ~107° 4 2 2 тетраэдр угловая ~104,5° 5 5 0 триг. бипирамида 90°/120° 5 4 1 триг. бипирамида «ходули» 6 6 0 октаэдр 90°/180°
Основные комбинации стерического числа и формы молекул. При СЧ = 5 и 6 есть и другие варианты с неподелёнными парами (квадратная пирамида, квадрат) — они разбираются на семинаре.

4. Дополнение Найхольма (для ФЕН и ИММТ)

Когда у центрального атома есть и связывающие пары, и неподелённые, нужно решить: в каком месте их разместить. Например, при СЧ = 5 есть два возможных положения неподелённой пары: аксиальное (сверху/снизу бипирамиды) или экваториальное (в плоскости).

Дополнение Найхольма говорит: неподелённая пара занимает то положение, где она имеет наименьшее число взаимодействий под углом 90° с другими парами. На практике — экваториальное положение.

Это объясняет, почему SF₄ выглядит как «ходули», а не как правильная тригональная бипирамида.

5. Примеры: от простого к сложному

BeCl₂ — линейная

Центральный атом — Be. У него 2 σ-связи с хлором, нет неподелённых пар. СЧ = 2 → угол 180°, линейная.

BF₃ — треугольная

Центральный атом — B. 3 σ-связи с фтором, НП нет. СЧ = 3 → плоский треугольник, 120°.

CH₄ — тетраэдр

Центральный атом — C. 4 σ-связи с водородом, НП нет. СЧ = 4 → тетраэдр, 109,5°.

NH₃ — пирамида

Центральный атом — N. 3 σ-связи + 1 неподелённая пара. СЧ = 4 → но так как одна «сторона» занята парой, форма — пирамида, а не тетраэдр. Угол чуть меньше идеального: 107° вместо 109,5° — потому что неподелённая пара сильнее отталкивает связывающие.

H₂O — угловая

Центральный атом — O. 2 σ-связи + 2 неподелённые пары. СЧ = 4 → угловая форма, угол 104,5°. Отталкивание двух пар давит на связи сильнее, чем в NH₃, поэтому угол ещё меньше.

SF₄ — «ходули»

Центральный атом — S. 4 σ-связи + 1 неподелённая пара. СЧ = 5. По дополнению Найхольма пара идёт в экваториальное положение. Форма — искажённый тетраэдр, «ходули».

XeF₄ — квадрат

Центральный атом — Xe. 4 σ-связи + 2 неподелённые пары. СЧ = 6. Обе пары занимают аксиальные положения (сверху и снизу от плоскости), атомы фтора — в одной плоскости. Форма — квадрат.

Практическое правило для углов: связывающая пара — неподелённая пара > связывающая — связывающая. То есть чем больше неподелённых пар у центрального атома, тем сильнее сжимаются углы. 109,5° → 107° → 104,5° для CH₄ → NH₃ → H₂O.

6. Дипольный момент

От геометрии переходим к полярности. Она определяется дипольным моментом.

Дипольный момент связи (μ) — векторная величина, показывающая, насколько смещена электронная плотность к одному из атомов. Возникает, когда связь полярна — то есть когда атомы имеют разную электроотрицательность.

Направление дипольного момента: от «минуса» (более электроотрицательного атома) к «плюсу». Вектор, то есть с направлением.

Пример: связь H−Cl. Хлор электроотрицательнее, плотность смещена к нему. Дипольный момент направлен от Cl к H.

Дипольный момент молекулы

У молекулы тоже есть дипольный момент — это векторная сумма диполей всех связей. И вот тут ключевой момент: даже если все связи полярны, суммарный диполь может быть равен нулю, если молекула симметрична.

Классический пример — CO₂. Связи C=O полярны (кислород электроотрицательнее углерода). Но молекула линейна, два вектора направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируются. Итог: μ(CO₂) = 0. Молекула неполярна.

А вот у H₂O молекула угловая, векторы не компенсируются — μ ≠ 0. Молекула полярна.

Полярные и неполярные молекулы

  • Неполярные (μ = 0): H₂, O₂, N₂, CO₂, CH₄, CCl₄, BF₃, C₂H₄ — все симметричные молекулы.
  • Полярные (μ ≠ 0): H₂O, NH₃, HCl, CO, SO₂, CHCl₃ — несимметричные или с неподелёнными парами.
Правило: чтобы молекула была полярной, нужно два условия одновременно:
  1. Есть полярные связи.
  2. Векторы диполей не компенсируются из-за геометрии.
CO₂ — связи полярны, но компенсируются → неполярна. H₂O — связи полярны, не компенсируются → полярна.

7. Практический пример: COCl₂ (фосген)

Молекула плоская, центральный атом — углерод. Связи: C=O и две C−Cl.

Считаем СЧ: C образует 3 σ-связи (с O и двумя Cl) + 0 неподелённых пар (все электроны углерода участвуют в связях). СЧ = 3 → sp²-гибридизация → плоский треугольник.

Дипольный момент: связь C=O сильно полярна (μ ≠ 0), связи C−Cl тоже полярны, но слабее. Векторы двух C−Cl направлены в стороны друг от друга (в плоскости), их суммарный вектор направлен вниз от углерода. Вектор C=O — вверх. Они не компенсируются, потому что длины/полярности разные. Итог: μ(COCl₂) ≠ 0, молекула полярна.

8. Что важно запомнить

  • Метод ОВЭП Гиллеспи: считаем СЧ = σ + неподелённые пары, по нему определяем геометрию.
  • СЧ = 2 → линия, 3 → треугольник, 4 → тетраэдр (или пирамида/угловая, если есть НП).
  • При СЧ = 5 и 6 используем дополнение Найхольма для размещения неподелённых пар.
  • Чем больше НП, тем сильнее сжимаются углы: CH₄ (109,5°) → NH₃ (107°) → H₂O (104,5°).
  • Дипольный момент связи — вектор от «минуса» к «плюсу».
  • Дипольный момент молекулы — векторная сумма диполей связей.
  • Симметричные молекулы с полярными связями могут быть неполярны (CO₂, CCl₄).

Эта тема — входной билет в химию координационных соединений, органику и spectroscopy. Если что-то осталось непонятным — напишите мне в Telegram, разберём конкретные молекулы из вашей программы.