Условие задачи
Что общего у молекул метана, аммиака и воды и чем они различаются по строению?
Решение
Дисциплина, к которой относится эта задача, — химия, точнее, теория валентных электростатических отталкиваний (VSEPR) и описание молекулярной геометрии.
Рассмотрим детально каждую молекулу:
1. Общее между молекулами:
• Во всех трёх случаях центральный атом (углерод в метане, азот в аммиаке, кислород в воде) использует sp³-гибридные орбитали.
• sp³-гибридизация предполагает, что электронные пары (как связанные, так и неподелённые) располагаются в пространстве согласно тетраэдрической схеме, что минимизирует взаимное отталкивание.
• Таким образом, общей чертой является тетраэдрическое распределение электронных пар вокруг центрального атома.
2. Отличия по строению (рассмотрим число связанных пар и незанятых (одиноких) пар, что определяет форму молекул согласно VSEPR):
а) Метан (CH₄):
– Центральный атом: углерод.
– Число связанных пар: четыре.
– Число одиночных пар: 0.
– Геометрия: идеальный тетраэдр, где все четыре атома водорода располагаются на углах тетраэдра.
– Углы между связями ≈ 109,5°.
б) Аммиак (NH₃):
– Центральный атом: азот.
– Число связанных пар: три.
– Число одиночных пар: 1.
– Геометрия: троичная пирамида (три атома водорода формируют основание пирамиды, а одиночная пара занимает четвертую вершину так, что молекула имеет вид невырожденного тетраэдра с пропущенной вершиной).
– Угол между связями немного меньше, чем в метане, ≈ 107° (уменьшение связано с более сильным отталкиванием одиночной пары).
в) Вода (H₂O):
– Центральный атом: кислород.
– Число связанных пар: два.
– Число одиночных пар: 2.
– Геометрия: изгиб (ломаная форма).
– Угол между связями меньше, чем в аммиаке, порядка ≈ 104,5° (две одиночные пары отталкиваются сильнее, чем связанные пары, что приводит к ещё большему сжатию угла).
Таким образом, общее у молекул метана, аммиака и воды заключается в том, что центральные атомы каждой молекулы используют sp³-гибридизацию, что приводит к тетраэдрической электронной оболочке. Однако различаются они числом одиночных пар, что определяет конкретную молекулярную форму: метан имеет полный тетраэдр, аммиак — три связи и одну одиночную пару (тригонометрическая пирамида), а вода — две связи и две одиночные пары (изгиб или уголковая форма).