De ce este îndoită structura moleculară a apei?

Adică, acolo este un timp și un loc pentru VSEPR și probabil este un moment la fel de bun ca oricare altul, deoarece toți studenții la chimie începători trec prin el. Modelul actual a fost deja explicat de mai multe ori, așa că voi spune doar pe scurt că, conform acestei teorii, există patru perechi de electroni în jurul oxigenului central. Pentru a minimiza repulsiile electron-electron, aceste perechi adoptă un aranjament tetraedric în jurul oxigenului. Nu contează care două sunt perechi solitare și care două sunt conectate la atomii de hidrogen; forma rezultată este întotdeauna îndoită.

Ce merită să ții cont (și nu a fost explicat foarte atent până acum) este că VSEPR este un model pe care le folosesc chimiștii pentru a prezice forma unei molecule. Adevărul este că nu există o modalitate reală de a prezice forma unei molecule, în afară de rezolvarea ecuației Schrodinger, care nu este posibil din punct de vedere analitic pentru apă. Orice altceva este o aproximare la adevăr. Unele dintre aceste aproximări sunt destul de exacte, cum ar fi utilizarea teoriei funcționale a densității. Unele dintre ele sunt extrem de brute, iar VSEPR se încadrează în această categorie: tratează în esență electronii ca sarcini punctuale clasice și încearcă să minimizeze repulsia electrostatică dintre aceste sarcini punctuale. Ca student la fizică, ar trebui să știi mai bine decât să faci asta. Astfel, deși prezice rezultatul corect în acest caz, este mai mult în ciuda modelului decât din cauza modelului. Și nu ar trebui să fiți surprinși să auziți că, în unele cazuri ușor mai complicate, VSEPR poate prezice rezultate complet greșite.

Pe măsură ce învățați mai multă chimie, veți descoperi că există modalități din ce în ce mai sofisticate de a explica geometria moleculară. Majoritatea se învârt în jurul teoriei orbitale moleculare. Pentru o metodă calitativă, aveți diagrame Walsh care au fost explicate la De ce unghiul de legătură scade în ordinea H2O, H2S, H2Se? . Pentru o metodă mai riguroasă, probabil că va trebui să executați câteva calcule chimice cuantice, de ex. Sunt perechile izolate în apă echivalente? . Desigur, dezavantajul este că devine din ce în ce mai dificil să extragem adevărata înțelegere chimică din numere. Deși trebuie spus, de asemenea, că nu puteți extrage vreo înțelegere chimică adevărată din modelul VSEPR.

Ceea ce mă interesează mai mult este următoarea întrebare:

De asemenea, ecuația Schrödinger nu ar oferi o structură la fel de plauzibilă pentru apă cu perechile solitare de pe partea opusă a oxigenului față de ceea ce presupunem (imaginând electronii din partea superioară sau inferioară a oxigenului din structura Lewis)?

Deoarece hamiltonianul moleculei de apă este invariant la rotație, aceasta înseamnă că într-adevăr, orice orientare a moleculei de apă este la fel de probabilă. Totuși, aceasta se referă doar la orientarea moleculei de apă ca întreg . Nu spune nimic despre gradele de libertate interne , cum ar fi unghiul de legătură.

În absența oricărei forțe externe , molecula este liberă să se îndoiască în orice direcție îi place și majoritatea moleculelor de apă fac asta întrucât plutesc prin spațiu sau înoată într-un lac. Dar va fi întotdeauna îndoită.

I F care erau adevărate, atunci ar exista o structură de rezonanță între cele două stări și am obține o geometrie liniară.

Dacă ar fi să te gândești la o singură particulă într-un potențial cu dublu puț, spune ceva cu

$$ V = \ begin {cases} \ infty & x < -b \\ 0 & -b \ le x \ le -a \\ \ infty & -a < x < a \\ 0 & a \ le x \ le b \\ \ infty & x > b \ end {cases} $$

apoi din cauza simetriei sistemului dvs., în fiecare eigenstate din sistemul dvs., valoarea așteptată a $ x $ ar fi $ \ langle x \ rangle = 0 $ . Acest lucru este destul de similar cu argumentul dvs. În cazul apei, să setăm nucleul de oxigen să fie la origine. Deoarece poate orienta în sus sau în jos, valoarea așteptării poziției nucleului de hidrogen de-a lungul axei sus-jos ar fi exact la nivel cu atomul de oxigen , adică 0. De fapt, nu vă opriți aici: poate indica spre stânga sau spre dreapta și spre față sau spre spate. Deci nucleul de hidrogen are o valoare așteptată de poziție exact $ (0, 0, 0) $ , adică chiar în interiorul nucleului de oxigen.

asta înseamnă că, de fapt, este acolo, totuși? În sistemul nostru conceput cu dublu puț, este evident imposibil ca particula să fie la $ x = 0 $ , deoarece $ V = \ infty $ acolo. Dacă ar fi să-i măsori poziția, nu l-ai găsi niciodată la $ x = 0 $ ; l-ați găsi doar în partea stângă $ [- b, -a] $ , sau în partea dreaptă $ [a, b] $ . Doar pentru că particula are o valoare de așteptare de $ \ langle x \ rangle = 0 $ nu înseamnă că este fizic acolo, sau că $ x = 0 $ este cumva starea sa de echilibru. „Confundați o valoare așteptată cu o eigenstate autentică (ceea ce este o structură de rezonanță).

Exact în același mod, dacă ar fi vreodată să măsurați proprietățile apă (și rețineți că practic fiecare interacțiune cu o moleculă de apă este, de fapt, o măsurătoare), am descoperi că este într-adevăr întotdeauna îndoită.

Comentarii

• ” Rezolvarea Schr ö ecuația dinger ” este desigur de asemenea, doar o aproximare la adevăr. Într-un sens foarte de bază, s-ar putea argumenta chiar că cel care nu este în principiu mai bun decât Lewis + VSEPR. De fapt, este o neînțelegere să implici un adevăr în spatele unui model. punctul de vedere cauza aproape tuturor neînțelegerilor din chimia lor etetică. Un model va prezice fenomenele. Nu are sens să spunem un model chimic (adică o teorie ” = „cb0c62209f”>

Structurile Lewis sunt puncte în jurul atomilor pe hârtie bidimensională. Deși H-O-H este plan, atunci când arunci în perechile singulare, trebuie să te gândești tridimensional. Cum ar fi hibridizat oxigenul, pentru a accepta doi hidrogeni, fiecare cu un electron?

Oxigenul s-ar putea hibridiza ca sp2p, cu unghiuri de 120 de grade între legături la hidrogen și un unghi de 90 de grade între perechea solitară p2 iar perechea sp2 lone. Sau ca sp3, cu 109 grade între toate legăturile. În apă, avem 104,5 grade https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Water . 104.5 este între 90 și 109, deci trebuie să existe o anumită acomodare între repulsia perechilor solitare, care ar împinge spre hibridizarea sp3 și poate o anumită respingere de la electronii din legăturile OH, care ar tinde să răspândească unghiul HOH spre 120 de grade (sp2) și împingeți una dintre perechile solitare mai complet în orbitalul p2.

Nu pot decide care este forța mai puternică; poate că molecula de apă nu poate fi, deci doar compromite .

Comentarii

• Acest raționament este invers. Hibridizarea este un model de descriere, prin urmare urmează întotdeauna structura moleculară. Pentru mai multe informații, consultați: Sunt perechile izolate în apă echivalente? Ca o notă suplimentară, în timp ce expresia ‘ oxigen este hibridizat ‘ este, din păcate, foarte frecvent, este incorect. Atomii nu pot fi hibridizați, doar orbitalii pot fi construiți ca orbitali hibrizi. Respingerea acestor perechi solitare este, de asemenea, mult mai implicată decât ceea ce este prezentat aici.

Totuși un alt mod de a ne gândi la faptul că $ \ ce {H2O} $ nu are simetria completă teoretic posibilă, este că numărul de electroni nu se potrivește corect cu cel mai mare posibil grup de puncte de simetrie (care are numele ciudat $ D _ {\ infty \ mathrm {h}} $ . În acest sens poate fi văzut ca un simplu exemplu de rupere a simetriei (nu este însă o simplă distorsiune Jahn-Teller de primă ordine).

Comentarii

• De ce este $ D_ \ mathrm {\ infty h} $ an nume ciudat? Vă rugăm să utilizați constructul chimic $\ce{H2O}$ în locul compoziției H$_2$O care poate avea o mulțime de efecte secundare nedorite. Dacă doriți să știți mai multe despre MathJax, vă rugăm să aruncați o privire aici și aici .
• Scriu unui fizician care, eventual, nu a intrat niciodată în contact cu notația Sch ö nflies. De obicei, preferă altele precum Hermann-Mauguin sau altele mai orientate matematic, cum ar fi Coxeter.

Nu văd de ce trebuie să existe perechile de electroni singulari pe aceeași parte a atomului.

Nimeni nu spune că există „pe aceeași parte a atomului”. În imaginea care prezintă structurile Lewis ale apelor, perechile singulare sunt afișate pe laturile opuse din panoul din stânga și pe aceeași parte din dreapta.

Aceste două structuri sunt identice. O structură Lewis nu face o declarație despre geometria unei molecule.

Dacă te uiți la un model 3D de apă în care perechile solitare sunt prezentate în conformitate cu sp3-hibridizarea în viziunea legăturii de valență a lucrurilor, depinde de orientarea moleculei, indiferent dacă arată ca „pe laturile opuse” sau „pe aceeași parte” (forma alungită – urechi de iepuraș – a perechilor singuratice este exagerată; acestea ar trebui să adauge o densitate a electronilor aproximativ sferică).(Sursă: https://www.biotopics.co.uk/jsmol/watersingle.html )

În viziunea orbitală moleculară (unde orbitalii moleculari împart simetria moleculei) cele două perechi solitare au forme distincte (fiecare panou prezintă o pereche solitară, orientarea moleculei distinctă de figura de mai sus ).

Aceasta a fost calculată folosind molcalc.org. Deoarece acești doi orbitali moleculari au o energie similară, ai putea face combinații liniare pentru a ajunge la orbitali similari cu imaginea legăturii de valență.

Deci, care este imaginea reală? Privind geometriile legăturilor de hidrogen, una dintre ele descrie direcțiile din care ar fi localizați acceptorii de hidrogen de pe alte molecule, astfel încât ambele modele sunt în concordanță cu datele experimentale.

Există opt electroni de valență pe oxigen care au energii similare, apoi există un decalaj și urmează doi electroni foarte aproape de nucleul de oxigen. Acești opt electroni formează patru perechi de spin și aceia indică în direcții care minimizează mai mult sau mai puțin repulsia. Aceste direcții sunt denumite „tetraedrică” în limbajul chimic, deoarece indică de la centru (= nucleul atomului de oxigen) la vârfurile unui tetraedru. Acum cei doi protoni sunt conectați cu două dintre acele „perechi de electroni” și doi sunt „singuri”. Prin urmare, obțineți forma îndoită a lui H $ _ 2 $ O.

(Acesta este un fel de versiune trivializată a modelului VSEPR.)

Comentarii

• Acest tip de versiune trivializată a VSEPR din păcate este la fel de greșită ca explicația VSEPR pentru apă în sine. Apa este într-adevăr unul dintre cele mai populare exemple pentru momentul în care VSEPR se descompune.
• @ Martin- マ ー チ ン de adăugat: aș face o distincție între momentul în care algoritmul VSEPR se descompune și când premisele modelului VSEPR eșua. Algoritmul în sine funcționează surprinzător de bine pe H2O: dacă se presupune că modelul este corect (adică două LP echivalente + două echivalente BP + LP resping mai puternic decât BP), se prezice un unghi de legătură puțin mai mic decât 109,5 °, în conformitate cu experimentul. Algoritmul eșuează pentru H2S, chiar dacă se fac ipotezele necesare. premisele eșuează pentru H2O. Dar, din nou, este discutabil dacă premisele sunt vreodată adevărate …
• Nu știu sigur despre ce premisă vorbiți. Evident, VSEPR funcționează bine, puteți prevedea chiar și o compresie a unghiului tetraedric dacă includeți regula rafinată, sp3 LP necesită mai mult spațiu decât legătura sp3. În acest sens, modelul VSEPR este unul dintre cele mai importante modele din chimie, aș spune, deoarece are o putere predictivă imensă. În sensul cantității de date de care aveți nevoie și a cantității de structuri moleculare pe care le obțineți, descrieți în mod adecvat prin aceasta. Hârtia și creionul său, iar următoarea mai bună este MO și pe care trebuie să le cumpărați cu o complexitate imensă.