Номер 4, страница 32 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 4. Химическая связь. Агрегатные состояния. Глава 1. Повторение и углубление знаний - номер 4, страница 32.

Условие.

4. Объясните, почему в молекуле метана угол между связями C—H равен $109,5^\circ$, а в молекуле аммиака угол H—N—H составляет $107^\circ$.

Решение.

Решение 2.

Различие в валентных углах между молекулами метана ($CH_4$) и аммиака ($NH_3$) объясняется теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) и, в частности, наличием неподеленной (одиночной) электронной пары у атома азота в молекуле аммиака.

Объяснение для молекулы метана ($CH_4$)
В молекуле метана центральный атом углерода (C) имеет четыре валентных электрона. Он образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода (H). Таким образом, вокруг центрального атома углерода находятся четыре связывающие электронные пары и отсутствуют неподеленные пары. Согласно теории VSEPR, для минимизации взаимного отталкивания эти четыре одинаковые электронные пары располагаются в пространстве максимально далеко друг от друга, образуя правильную тетраэдрическую геометрию. Угол между любыми двумя связями в идеальном тетраэдре составляет $109.5^\circ$. Атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации, образуя четыре равноценные гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра.

Объяснение для молекулы аммиака ($NH_3$)
В молекуле аммиака центральный атом азота (N) имеет пять валентных электронов. Три из них участвуют в образовании трех ковалентных связей с атомами водорода, а оставшиеся два образуют одну неподеленную электронную пару. Как и в метане, вокруг центрального атома азота всего четыре электронные области (три связывающие пары и одна неподеленная), и атом азота также находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Общая электронная геометрия также является тетраэдрической.
Однако неподеленная электронная пара занимает больший объем и создает более сильное электростатическое отталкивание, чем связывающие электронные пары. Сила отталкивания распределяется следующим образом: отталкивание "неподеленная пара — связывающая пара" >отталкивание "связывающая пара — связывающая пара".
Из-за этого усиленного отталкивания со стороны неподеленной пары три связи N—H "сжимаются", и угол H—N—H между ними уменьшается по сравнению с идеальным тетраэдрическим углом. В результате он составляет приблизительно $107^\circ$. Молекулярная геометрия (расположение атомов) при этом является тригональной пирамидой.

Ответ: В молекуле метана $CH_4$ все четыре электронные пары вокруг центрального атома углерода являются связывающими и равноценными, что приводит к симметричной тетраэдрической структуре с валентными углами $109.5^\circ$. В молекуле аммиака $NH_3$ у центрального атома азота есть три связывающие пары и одна неподеленная электронная пара, которая оказывает более сильное отталкивающее действие, сжимая связи и уменьшая валентный угол H—N—H до $107^\circ$.