Стерично число

Понятието „стерично число“ е много полезно, тъй като ни показва броя на хибридизираните атомни орбитали. За да намерим стеричното число, събираме броя на сигма-връзките, най-често това са единичните връзки, с броя на свободните електронни двойки. Нека направим това за молекулата на метана. Искам да намеря стеричното число, за което ми е нужен броят на сигма-връзките. Около въглеродния атом виждам 4 единични връзки, това са сигма-връзки. И така, имам 4 сигма-връзки; около този въглероден атом няма свободни електронни двойки, значи събирам 4 и 0 и получавам, че стеричното число е равно на 4. В предишното видео видяхме, че при sp³-хибридизацията имаме 4 хибридни орбитали. Тук също се нуждаем от толкова, стеричното число ни показва, че са нужни 4 хибридни орбитали. Трябва да вземем една s-орбитала и 3 p-орбитали, за да получим 4 sp³-хибридни орбитали. И така, този въглероден атом трябва да е sp³-хибридизиран. Да начертаем това, sp³-хибридизиран въглероден атом. Такава рисунка имахме и в предишното видео. Рисуваме четирите sp³-хибридни орбитали на този въглероден атом. Имаме и по един валентен електрон във всяка от тези 4 sp³-хибридни орбитали. Водородните атоми имат по един валентен електрон в нехибридна s-орбитала, изобразяваме и тях заедно с валентните електрони. Орбиталите се припокриват челно: това е сигма-връзка, както обяснихме в предишното видео. След като имаме тази рисунка на молекулата на метана, можем да помислим за тези електронни двойки: те се отблъскват една от друга като едноименни заряди. Теорията за отблъскването на електронните двойки ни казва, че тези двойки ще се отдалечат възможно най-далеч една от друга в пространството. От това следва, че подредбата на електронните двойки ще е по върховете на тетраедър. Ще запиша типа геометрия. Електронните двойки около този въглероден атом са подредени по върховете на правилен тетраедър. Молекулната геометрия показва разположението на електронните групи от цялата молекула. Мога да я представя, като начертая електроните от връзките ето така. Това триъгълниче означава приближаване в пространството, а пунктирът е отдалечаване назад. А чертичките се намират в равнината на екрана. Сега можем да нарисуваме водородните атоми и да получим рисунка на молекулата на метана, показваща геометрията на цялата молекула. Подредбата на атомите също е по върховете на правилен тетраедър, записвам типа молекулна геометрия. Да си представим тетраедъра: той е фигура с четири стени, Това е едната от тях, рисувам и втората, а когато свържа последните два върха получавам и четирите стени на тетраедъра. Геометрията на електронните групи е тетраедрална, също и молекулната геометрия на метана е тетраедрална. Оттук виждаме ъгъла на връзките, ще го отбележа, това е ъгълът на връзката водород - въглерод - водород, тук той е приблизително 109,5 градуса. Сега да приложим същия анализ за друга молекула. Да опитаме с амоняка. Знаем формулата му: NH₃ и търсим стеричното число, то е равно на броя на сигма-връзките, които тук са три, плюс броя на свободните електронни двойки, тук имаме една такава, значи 3 + 1 прави стеричното число равно на четири. И така, нужни са 4 хибридизирани орбитали, а знам, че когато техният брой е 4, то азотният атом трябва да е в sp³-хибридно състояние. Това е така, защото sp³-хибридизацията ще доведе до 4 хибридни орбитали. Нека ги начертаем. Обозначавам азотния атом, и около него четири sp³-хибридни орбитали, това са те. За да довършим структурната формула на азота, добавяме валентните електрони: в три от орбиталите по един електрон, а в четвъртата орбитала има електронна двойка. Сега да разположим водородните атоми. Всеки от тях има по един електрон в нехибридна s-орбитала, те се припокриват с азотните в сигма-връзки: тук, тук и тук, общо три сигма-връзки за амоняка, а тук остава свободната електронна двойка. И тук подредбата на електронните двойки съответства на тази от предишния пример: имаме подредба в тетраедър за геометрия на електронните групи. Теорията за отблъскването на електронните двойки показва, че те ще се отблъскват. Обаче тук формата на молекулата не е същата. Ще нарисувам отделно молекулната геометрия. Рисувам електроните, участващи във връзки по този начин, а несвързаните електрони поставям така: това е свободната двойка, намираща се в sp³-хибридна орбитала. И така, подредбата на атомите тук не е по върховете на тетраедър, роля в това има свободната двойка електрони. Тази свободна двойка отблъсква поо-силно двойките електрони, участващи във връзките, отколкото в предишния пример и поради това се променя ъгълът на връзката: той ще се намали под 109,5 градуса. Със същия цвят като преди ще отбележа новия ъгъл на връзката: тук той е по-малък поради по-силното отблъскване. Стойността му е около 107 градуса. Формата на молекулата вече не е на тетраедър, а на триъгълна пирамида. Тук ще запиша молекулната геометрия на амоняка: тя е триъгълно-пирамидална, ще разгледаме и това. Триъгълната основа на пирамидата се образува от трите водородни атома, свързани с азотния, който пък е на върха на пирамидата. При молекулната геометрия се игнорират свободните електронни двойки. Когато изключим свободната електронна двойка, азотният атом от център на тетраедъра става връх на пирамидата. Тя пак има 4 върха: това са азотния атом и свързаните с него 3 водородни, тук няма атом в центъра. Геометрията на молекулата на амоняка е триъгълно-пирамидална, а азотният атом в нея е sp³-хибридизиран. Да направим още един пример: с водата. Първо да изчислим стеричното ѝ число. Стеричното число се намира, като прибавим към броя сигма-връзки, тук те са две, броя на свободните двойки електрони: тук и тук има по една, общо две двойки плюс две сигма-връзки, става 4. Значи нужните хибридизирани орбитали са 4. В предишните два примера видяхме, че когато хибридизираните атомни орбитали са 4, ситуацията изисква sp³-хибридизация. Тук имаме 4 sp³-хибридизирани орбитали. И така, кислородът е sp³-хибридно състояние, ще отбележа това по такъв начин. Можем и да нарисуваме кислорода с неговите sp³-хибридни орбитали, които са 4 на брой. Ще ги нарисувам така. Електроните на кислорода са по един в две от орбиталите а останалите две орбитали имат по два. Това са всичките шест валентни електрони на кислорода. Сега ще поставим и водородните атоми, те са два, всеки с по един електрон в нехибридна s-орбитала. Връзките между тях и кислорода са челни, значи са сигма-връзки: има две сигма-връзки в молекулата на водата. Тук подредбата на електронните двойки отново е тетраедрална, тези двойки се отблъскват според теорията за отблъскването на електронните групи и геометрията на електронните групи е тетраедрална, но това не е геометрия на цялата молекула, а само на електронните групи и техните хибридни орбитали. Молекулната геометрия е различна, ще нарисувам и нея. Това е молекулата на водата електроните от връзките ѝ изобразявам така, а несвързаните електрони оставям отгоре. Тук е различно и от амоняка. При амоняка имаше една свободна двойка електрони, която отблъсква свързаните електрони от себе си; при водата свободните двойки електрони са две и те отблъскват свързаните електрони, това променя ъгъла на връзката. Това го намаля още повече от ъгъла в предишния пример. Знаем, че ъгълът на връзката ще е по-малък, той ще стане 105 градуса, закръглено нагоре. Често наричаме молекулната геометрия или формата на водната молекула „извита“ или „под ъгъл“. Отбелязвам тази геометрия като „ъглова“, защото не вземам под внимание свободните двойки електрони. Така получавам само кислородния атом и този ъгъл от връзките му. Имаме тази ъглова молекулна геометрия. При молекулната геометрия по принцип не се отразяват свободните двойки електрони. В това видео видяхме примери за три молекули, в които централният атом е sp³-хибридизиран. Видяхме и един начин да разберем геометрията на цялата молекула и да мислим за ъглите на връзките и за това как хибридните орбитали повлияват на структурата на молекулите.