Решение. Последовательность действий для предсказания геометрии молекул на основании теории локализованных электронных пар следующая:

1.Подсчитывают число валентных электронов молекулы или иона и записывают электронную валентную структуру (льюисову структуру);

2.По валентной структуре определяют число -связывающих и несвязывающих электронных пар, т.Е. Тип молекулы aBnEm (n – число  - связей, m – число несвязывающих электронных пар);

3. По числу локализованных  - электронных пар и типу молекулы предсказывают пространственную конфигурацию молекулы и тип гибридизации, описывающий эту пространственную конфигурацию (с помощью табл.2).

В молекулах СН₄; NH₃; H₂O по восемь валентных электронов ( СН₄ – 4+4, NH₃ – 5+3, H₂O – 6+2), которые образуют по четыре  - связывающие и несвязывающие электронные пары вокруг центрального атома.

Электронные (льюисовы) структуры для этих молекул имеют вид:

Н    

Н N H H O H

H C H  

H

H

Вокруг атома углерода локализовано четыре -связывающие электронные пары (по числу атомов водорода), вокруг атома азота три -связывающие электронные пары (по числу атомов водорода) и одна несвзывающая электронная пара, вокруг атома кислорода – две  - связывающие и две несвязывающие электронные пары. Данные молекулы относятся к типу АВ₄ (СН₄), АВ₃Е (NH₃), АВ₂Е₂ (H₂O), что соответствует sp³- гибридизации. Молекула метана имеет форму правильного тетраэдра с атомом углерода в центре. В молекуле аммиака одна из вершин тетраэдра занята несвязывающей электронной парой, поэтому молекула имеет форму тригональной пирамиды. В молекуле воды две вершины тетраэдра заняты электронными парами, а сама молекула имеет угловую форму.

158

Увеличение числа несвязывающих электронных пар центрального атома, отталкивание между которыми проявляется в большей степени, приводит к уменьшению валентного угла НЭН в ряду этих молекул.

Рассмотрим пространственную конфигурацию этих молекул в рамках теории гибридизации.

Валентные электроны центральных атомов C, N и О распределены по атомным орбиталям следующим образом:

₆C ….2s²2p²

₆С^*....2s¹2p³. – возбужденное состояние

₇N …..2s²2p³

₈O …..2s²2p⁴

Молекула СН₄. У атома углерода на четырехвалентных орбиталях расположены 4 электрона, которые образуют 4  - связи с атомами водорода. Комбинация одной s – и трех р-орбиталей приводит к sp³ гибридизации. Молекула имеет форму правильного тетраэдра, к вершинам которого и направлены гибридные орбитали. Валентный угол НСН равен 109⁰28^`. Симметричная молекула СН₄ имеет дипольный момент, равный нулю (неполярна), так как векторная сумма дипольных моментов четырех полярных  - связей равна нулю.

Молекула NH₃. У азота на четырех валентных орбиталях находятся 5 электронов, которые образуют три  - связи с атомами водорода. Одна пара электронов оказывается несвязывающей. Тип гибридизации sp³, но одна из вершин тетраэдра занята несвязывающей электронной парой, поэтому молекула NH₃ имеет форму тригональной пирамиды. Валентный угол HNH равен 107⁰3`. Векторная сумма дипольных моментов связей не равна нулю, молекула полярна.

Молекула H₂O. У кислорода в молекуле H₂O на четырех валентных орбиталях располагаются 6 электронов, которые образуют 2 - связи с атомами водорода и две несвязывающие пары электронов.Тип гибридизации sp³.

Две вершины тетраэдра заняты несвязывающими электронными парами, поэтому молекула H₂O имеет угловую форму. Валентный угол НОН равен 104⁰5`. Векторная сумма дипольных моментов связей не равна нулю, молекула полярна.

С позиций теории гибридизации уменьшение валентного угла НЭН объясняется увеличением по периоду энергетического различия между 2s- и 2р – орбиталями и уменьшением вклада 2s – орбиталей при гибридизации с 2р – орбиталями. Это приводит к уменьшению валентного угла и приближению его к 90⁰.

159