Межъядерные расстояния, валентные углы, углы внутреннего вращения.

n независимых параметров, необходимых для определения конфигурации молекулы, могут быть выбраны различным образом. Напомню, что n - число колебательных степеней свободы молекулы.

В простейшем случае 2-х атомной молекулы такой выбор однозначен. Геометрическая конфигурация двухатомной молекулы определяется одним параметром - расстоянием R между центрами эффективных атомов молекулы.

Уже в случае 3-х атомной молекулы возможен различный выбор n параметров, определяющих ее конфигурацию. Например, в качестве трех параметров R_e1, R_e2 и R_e3, определяющих равновесную конфигурацию нелинейной молекулы H₂O, можно выбрать либо 3 межъядерных расстояния, либо два таких расстояния и угол между направлением химических связей ОН:

 

или

 

Еще больше различных вариантов выбора n независимых параметров, определяющих конфигурацию молекулы, будет в случае более сложных молекул (4-х, 5-ти атомных и т.д.)

Вопрос - какой набор параметров выбрать?

Выбор обусловлен связью химического строения, физических свойств и равновесной геометрической конфигурации молекул. В качестве величин, определяющих конфигурацию молекул, рассматриваются параметры, которые можно разбить на 3 группы:

а) Расстояния между парами ядер химически связанных атомов - межъядерные расстояния химически связанных атомов - длины связей.

б) Углы между линиями, соединяющие ядра химически связанных атомов - валентные углы.

в) Углы поворота одних групп атомов молекулы относительно других групп атомов – углы внутреннего вращения.

Рассмотрим примеры молекул перекиси водорода, трихлорида алюминия и метана.

 

Молекула H₂O₂.

Молекула не плоская. Число геометрических параметров равно n=3*4-6=6. Это 3 длины связей: О-О, О-Н и О-Н; 2 валентных угла: H₃O₂O₁ и H₄O₁O₂; угол поворота H₄ вокруг связи O-O относительно атома H₃.

 

 

Молекула AlCl₃.

Форма молекулы - плоская тригональная. Валентные углы Cl-Al-Cl равны 120^o.

Число геометрических параметров равно n=3*4-6=6. В качестве первых 5-ти параметров можно выбрать 3 длины связи Al-Cl, 2 угла Cl-Al-Cl (3-й угол является зависимым параметром и вычисляется 360-120-120). Где взять шестой параметр? Шестой параметр должен описывать положение одного из атомов Сl относительно плоскости, содержащей три других атома молекулы. Это будет угол внутреннего вращения, допустим, нижнего на рис. Cl относительно верхнего атома Сl.

 

Молекула CH₄.

В равновесной тетраэдрической конфигурации этой молекулы все валентные углы равны 109^о28^” » 109,5^o. Число геометрических параметров равно n=3*5-6=9. В качестве этих параметров можно выбрать 4 длины связи C-H и любые 5 валентных углов из 6-ти возможных. Шестой угол будет уже зависимым параметром, так как вычисляется, если известны остальные пять углов.

 

Обратите внимание, что во всех примерах приведены достаточно симметричные молекулы. Как определить форму простейших молекул и симметрию молекул? Эти вопросы будут рассмотрены позже. Вследствие симметрии молекулы некоторые геометрические параметры будут принимать одинаковые значения. Например, в молекуле H₂O₂ длины связей O-H будут одинаковыми, также будут равны валентные углы HOO.

Домашнее задание: определите равные параметры в молекулах трихлорида алюминия и метана.