Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR)

Molecule Shapes by PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, licensed under CC-BY-4.0 (https://phet.colorado.edu)

Название проекта: Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR)

Эта виртуальная лаборатория предназначена для использования на уроках химии по следующим темам:

  • 10 класс. Глава III. “Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR)”.

Цели:

  • Применить теорию VSEPR для прогнозирования молекулярной геометрии молекулы.
  • Использовать метод Гиллеспи для определения геометрии электронов и формы молекул.
  • Построить и сравнить виртуальные модели с реальными структурами молекул.

Практическая часть

play-rounded-fill

Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки

Эта симуляция от PhET позволяет ученикам исследовать и понять взаимосвязь между расположением электронов и геометрией молекул.

  1. Запустите симуляцию. На экране появляются два режима на выбор: “Модель” и “Реальные молекулы”. Выберите режим “Модель”.

Режим “Модель”

Данный режим позволяет вам создавать свои собственные молекулы.

  1. В центре экрана находится базовая 3D-модель молекулы с одним центральным атомом и двумя одно связанными атомами. Вы можете вращать модель, нажимая и перетаскивая ее.

3. Щелкните по значкам связи, чтобы соединить атомы с одинарной, двойной или тройной связью. Наблюдайте, как меняется форма молекулы при добавлении атомов.

4. В этой симуляции можно добавить к модели одиночные пары электронов.

5. Используйте красную кнопку, чтобы удалять атомы и электроны по одному, или желтую кнопку, чтобы удалять их все сразу.

6. При установке флажков “Electron geometry” и «Molecule geometry» в разделе “Name” отображается предсказанная форма молекулы и электрона (например, тетраэдрическая, линейная).

7. Вы можете показать или скрыть одиночные пары электронов, установив флажок «Show lone pairs» в разделе “Options”. 

8. При установке флажка «Show bond angles»  отображаются углы между соединениями. Посмотрите, как меняются эти углы по мере добавления атомов.

9. Кнопка «Reset» сбрасывает симуляцию, чтобы вы могли начать все сначала.

Режим “Реальные молекулы”

Давайте перейдем в режим “Real molecules” с помощью панели навигации ниже. В данном режиме представлены готовые молекулы, которые вы можете наблюдать.

  1. Щелкните выпадающее меню, чтобы выбрать молекулу из списка для исследования. 

11.На центральной панели отображается реальная и моделируемая 3D-структура выбранной молекулы

12. Разделы “Name” и “Options” содержат ту же информацию, что и в режиме “Модель”.

Виртуальный эксперимент: Метод Гиллеспи

Теперь давайте начнем экспериментировать.

  1. Для исследования выберите одну из молекул представленных в списке, чтобы определить ее молекулярную геометрию с помощью метода Гиллеспи. Например, трифторид бора (BF3).
  • Молекулярная формула — AX3Em. 
  • С помощью приведенной ниже формулы найдите определение m.

n — количество электронов вокруг центрального атома. 

m — количество одиночных пар электронов вокруг центрального атома. 

N₀ — число электронов центрального атома на его внешнем электронном слое.

Nn — число электронов лигандов, участвующих в образовании связей с центральным атомом

z — заряд молекулы

п- число пи-связей в молекуле.

  • Бор (B) имеет 3 валентных электрона.
  • Каждый атом фтора (F) образует одинарную связь с бором, не образуя одиночных пар.
  • Общее количество электронов вокруг Бора = 3 (валентные электроны) + 3 (связующие электроны из F) = 6
  • Число одиночных пар m=3-3=0 , формула молекулы — AX3E0.
  • Поскольку имеются только связующие электроны и нет одиночных пар, геометрия электронов для BF3 является равносторонний треугольник. (Посмотрите на Таблицу 1 ниже)

Таблица 1.

  1. Теперь переключитесь в режим «Модель» и постройте 3D-модель трифторида бора (BF3).

15.Перейдите в режим “Реальные молекулы” и посмотрите на его настоящую трехмерную структуру. Сравните эту структуру с вашей виртуальной моделью. Соответствует ли она вашим расчетам?

16. Попробуйте определить геометрию других молекул используя данный метод. 

Заключение

Данная виртуальная симуляция является эффективным инструментом для изучения молекулярной геометрии. Она позволяет ученикам не только получить теоретические знания, но и на практике применить их для построения и анализа молекул.

Словарь терминов

  • molecule shape — форма молекул
  • electron geometry — геометрия электронов
  • molecule geometry — геометрия молекул
  • lone pairs — одиночные пары
  • bond angle — углы связей
  • linear — линейная
  • trigonal planar — равносторонний треугольник
  • tetrahedral — тетраэдрическая
  • trigonal bipyramidal — тригональная бипирамида
  • octahedral — октаэдрическая