分子鍵角、極性

22625 劉至軒

Part I

分子的鍵角 (Bond angles)

Bond

Angel

何謂鍵角

就是共價鍵間的角度！

\( \text{CO}_2 \) 分子鍵角：\(180^\circ\)

\( \text{BF}_3 \) 分子鍵角：\(120^\circ\)

有哪些罌粟因素影響鍵角？

1. 混成軌域
2. Lone Pair
3. 周圍原子

混成軌域

混成軌域

一個原子的\(\text{s}\)軌域和若干個(\(1\)至\(3\)個)\(\text{p}\)軌域形成混成軌域

決定了分子大致的形狀！

到底是\(\text{sp}\)幾？

算一個中心原子的混成軌域為何，大致算其周圍原子數量 + Lone Pair的數量！

到底是\(\text{sp}\)幾？

 三個周圍原子：

\( \text{sp}^2 \)軌域 

到底是\(\text{sp}\)幾？

三個周圍原子 + 一對Lone Pair：\(\text{sp}^3 \)才對！

Lone Pair

電密度超大的微小粒子

來比較壹下

同樣的軌域，不同的鍵角

Lone Pair 搞的鬼！

Lone Pair 搞的鬼！

現象： \( \text{N-H} \)鍵間的鍵角變小了！

解釋：因為最上面有一個LP，為一個電密度很高的負電區，其他原子的電子雲都會排斥

Lone Pair 搞的鬼！

現象： \( \text{N-H} \)鍵間的鍵角變小了！

解釋：因為最上面有一個LP，為一個電密度很高的負電區，其他原子的電子雲都會排斥

歐耨負電

快跑

別過來！

例2：\(\text{H}_2\text{O}\)

統整：

若中心原子，混成軌域相同，則LP多者鍵角小

VESPR Geometries

原子差異

\(\text{Cl}、\text{Br}、\text{I} \) 大不同

為什麼原子不同就會影響？

原子達爾文理論？

不是。

電負度！

一個原子多喜歡 \(\text{e}^-\)的度量衡

來較量較量

電負度：\(\text{F} > \text{H}\)

所以\(\text{F}\)的電子離中心原子比較遠，鍵角較小

電子會相斥！電子離中心原子越近，鍵角越大。

（中心原子相同的前提之下）

呵呵，化學真有趣

電負度：\(\text{F} > \text{H}\)

所以\(\text{F}\)的電子離中心原子比較遠，鍵角較小？

無孤電子對，所以結構不變，相同！

繼續較量較量（中心原子）

其實也是相同概念！中間原子電負度大，則鍵角大。

來排個序吧！

#include <algorithm>
using namespace std;

int N;
vector<int> v;

int main(){
    cin >> N;
    v.resize(N);
    for(int i = 0; i < N; i++) cin >> v[i];
    sort(v.begin(), v.end());
    for(int x : v) cout << x << " "; cout << endl;
}

對不起，錯了

類題

請排序鍵角

\(\text{H}_2\text{O}\)、\(\text{H}_2\text{S}\)、\(\text{CO}_2\)

答案要來嘍

真的要來嘍

真的真的要來嘍

\(\text{CO}_2 > \text{H}_2\text{O} > \text{H}_2\text{S}\)

\(\text{CO}_2 > \text{H}_2\text{O} > \text{H}_2\text{S}\)

直接 \(\text{sp}\) 軌域，沒有Lone Pair，\( 180^{\circ} \)

\(\text{CO}_2 > \text{H}_2\text{O} > \text{H}_2\text{S}\)

直接 \(\text{sp}\) 軌域，沒有Lone Pair，\( 180^{\circ} \)

後兩個\(\text{sp}^3\)軌域，但是\(\text{O}\)的電負度比\(\text{S}\)大，所以電子比較靠近中央，鍵角較大

請比較鍵角

\(\text{NH}_3\)、\(\text{NH}_4^+\)

\(\text{NH}_3> \text{NH}_4^+\)

\(\text{NH}_3> \text{NH}_4^+\)

Lone Pair 的影響比較大，壓爆了其他\(\text{H}\)

Part II

分子的電極性 (Dipoles)

沒有梗啦

為什麼會有電偶極？

 

 

原子的本性（電負度）

直接看例子

\(\text{HCl}\)的\(\text{H - Cl}\)鍵雖然是共價鍵，但是\(\text{F}\)的電負度遠大於\(\text{H}\)的電負度，所以電子會比較靠近氟原子，而具有極性

電偶極矩

Electric dipole moment

 

\(\text{H}_2\text{O}\)的電偶極矩

每一個鍵都會有一個電偶極矩，從顛電負度小的指向電負度大的

想像成一個向量

  • 大小：與兩個原子的電負度差有關
  • 方向：與他們的走向平行

\(\text{H}_2\text{O}\)的電偶極矩

想像成一個向量

  • 大小：與兩個原子的電負度差有關
  • 方向：與他們的走向平行

向量可以相加！（紅色的箭頭）

帶正電荷的那邊以\(\delta^+\)表示，負電荷以\(\delta^-\)表示

\(\text{H}_2\text{O}\)的電偶極矩

向量可以相加！（紅色的箭頭）

$$ \vec{\mu} = \sum q_i \vec{r_i}$$

  • \(\mu\)：總電偶極矩
  • \(q_i\)：第\(i\)個向量的電力（大小）
  • \(\vec{r_i}\)：第\(i\)個向量的方向

\(\text{O}_3\)的電偶極矩

除了共振結構之外，單鍵的那個氧原子帶有比較多電子，相對於中心氧原子帶負電。

氫鍵

極性分子的正極和另外的極性分子的負極會因為電磁力而形成氫鍵

Ex. 1 —— \(\text{H}_2\text{O}\)

Ex. 2 —— \(\text{CH}_3\text{COOH}\)

類題

請畫出四氯乙烯（\(\text{C}_2\text{Cl}_4\)）各鍵結的電偶極矩，並計算其電偶極矩合？

$$ = \vec{0}$$

請問下列何者分子屬於極性分子？（多選）

  • \(\text{NH}_3\)
  • \(\text{CO}_2\)
  • \(\text{BF}_3\)
  • \(\text{HCl}\)
  • \(\text{CCl}_4\)

請問下列何者分子屬於極性分子？（多選）

  • \(\text{NH}_3\)
  • \(\text{CO}_2\)
  • \(\text{BF}_3\)
  • \(\text{HCl}\)
  • \(\text{CCl}_4\)

是！為三角錐形\(\text{sp}^3\)上面還有一個孤對電子

不是！為直線型，所以兩個電偶極抵銷

不是！注意，\(\text{BF}_3\)不滿足八隅體，氟原子為正三角形。

是！\(\text{H}\)和\(\text{Cl}\)間就有偶極矩了

不是！\(\text{C}\)和\(\text{Cl}\)間雖然有四個偶極矩，但是因為是四角錐的關係所以抵銷了

謝謝大家的聆聽！準備Kahoot吧！

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