Текст выступления:

Валентті электрон жұбы бұлттарының тебілу теориясы
1. Валентті электрон жұбы бұлттарының тебілу теориясына кешенді шолу

Құрметті тыңдаушылар, бүгінгі баяндамамызда валентті электрон жұбы бұлттарының тебілу теориясының молекулалық құрылымды түсінудегі маңыздылығына назар аударамыз. Бұл теория химиялық байланысты қалыптастыратын электрондардың кеңістікте қалай орналасатынын түсінуге мүмкіндік береді, осылайша молекулалардың пішіні мен реакция қабілетін ғылыми тұрғыдан зерттеуге жол ашады.

2. Теорияның пайда болуы және тарихи контекст

1957 жылы Рональд Гиллеспи мен Ральф Сейтон Найхолм валентті электрон жұптарының кеңістіктегі тебілу қағидатын ұсынды, бұл химия ғылымында төңкеріс жасады. ХХ ғасырда молекулалардың үйлесімді кеңістіктік моделін құру қажеттілігі айқындала түсті. Олар тарапынан дамытылған теория молекулалардың пішіні мен байланыстар арасындағы өзара әсердің заңдылықтарын түсіндіруде алтын көпір болды, оның ғылымдағы орны ерекше.

3. ВЕЖТТ негізгі қағидасы мен принциптері

Валентті электрон жұптарының тебілу теориясының негізгі идеясы - атомның валентті қабатындағы электрон жұптары электростатикалық тебілу әсерінен бір-бірінен барынша алыс орналасқан. Бұл үздіксіз тебілу молекуланың пішінін нақты анықтайды. Электрон жұптарының арасындағы күштер молекулалық бұрыштар мен кеңістіктік конфигурацияның қалыптасуына маңызды әсер етеді. Әсіресе, байланысқан және жалғыз электрон жұптарының айырмашылығы молекуланың нақты геометриялық формасын тудырады, бұл химиялық реакциялардың бағытын болжауға мүмкіндік береді.

4. Электрон бұлттарының түрлері мен олардың әсері

Электрон жұптары екі негізгі топқа бөлінеді: байланысқан жұптар мен жалғыз электрон жұптары. Байланысқан электрон жұптары атомдарды молекуланың ішінде біріктіріп, оның тұрақтылығын нығайтады. Ал жалғыз электрон жұптары молекуланың кеңістіктегі пішіні мен симметриясына әсер етіп, кейде молекуланың формасын түбегейлі өзгертеді. Осылайша, бұл жұптардың әрқайсысы молекуланың физикалық және химиялық қасиеттерін анықтайды.

5. Электрон бұлттарының тебілу реттілігі

Жалғыз электрон жұптары ең күшті тебілуге ие болғандықтан, олардың арасындағы бұрыштар барынша үлкен болуы тиіс. Осы принцип бойынша жалғыз жұптар бір-бірінен барынша алыста орналасады. Жалғыз және байланысқан жұптар арасындағы тебілу орташа қарқынға ие, бұл молекуланың бұрыштық күйін өзгертеді. Ал байланысқан жұптар арасында байқалатын тебілу салыстырмалы түрде әлсіз, бұған сәйкес бұрыштар кең және тұрақты болады. Бұл ретте әр түрлі жұптардың өзара әрекеті молекуланың нақты пішінін қалыптастырады.

6. Молекула пішіндерінің салыстырмалы сипаттамасы

Молекулалардың пішіні электрон жұптары саны мен олардың кеңістіктегі орналасу тәртібімен тығыз байланысты екенін салыстыру нәтижесінде байқауға болады. Түрлі типтегі молекулалардағы электрон жұптарының саны және молекулалық бұрыштар туралы салыстырмалы деректер пішіндердің әр түрлілігі мен олардың негіз болатын физикалық заңдылықтарымен байланыстырып, олардың құрылымдық ерекшеліктерін түсінуге көмектеседі. Бұл таблицада ұсынылған деректер молекулалардың үш өлшемді кеңістіктегі орналасуын нақты сипаттайды, сол арқылы олардың химиялық белсенділік пен физикалық қасиеттерін болжауға мүмкіндік береді.

7. Сызықты және бұрышты молекулаларға мысалдар

Көмірқышқыл газының (CO2) молекуласы екі байланысқан электрон жұбының нәтижесінде сызықты пішінге ие болады, мұнда екі оттек атомы көміртек атомымен 180 градус бұрышта орналасады. Бұл қарапайым пішін молекуланың симметриялылығы мен тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, күкірт диоксиді (SO2) молекуласы бұрышты пішінге ие, себебі жалғыз және байланысқан электрон жұптарының араластық әсерінен бұрыш шамамен 119 градус болады. Бұл мысалдар молекулалық геометрияның әртүрлі электролық конфигурацияларға тәуелділігін айқын көрсетеді.

8. Тетраэдрлік және үшбұрышты жазықтықтар

Метан (CH4) молекуласында төрт байланысқан электрон жұбының тең бөлінуінен туындаған тетраэдрлік пішін құрылады, мұнда бұрыш 109,5 градус шамасында болады. Бұл форма молекуланың максималды тұрақтылығы мен минималды электрон жұптарының тебілуін қамтамасыз етеді. Қарама-қарсы, бор трифториді (BF3) молекуласы үш байланысқан электрон жұбы арқылы жазық үшбұрыштық геометрияға ие, бұрыштары бірдей және 120 градусқа тең. Осы екі мысал тетраэдрлік пен жазық геометриялардың негізгі айырмашылықтарын және олардың электрон жұптарының санағына тәуелді екенін көрсетеді.

9. Электрон бұлттары саны мен молекула бұрыштары арасындағы байланыс

Электрон жұптарының саны артқан сайын, молекулалық бұрыштарда өзгерістер байқалады. Бұл диаграмма осы тәуелділікті дәлелдейді, алайда қосымша факторлар, оларды атап айтқанда – электрондардың қосымша қарсылығы мен көлемдік кедергілер, бұрыштардың нақты мәндеріне ықпал етеді. Жалпы алғанда, жұптардың санын арттырған сайын молекула бұрыштары сәл кішірейеді, бұл құбылыс ВЕЖТТ теориясының негізгі болжамдарымен сәйкес келеді және молекулалық құрылымдарды болжауда сенімді құрал екенін растайды.

10. Су молекуласындағы электрон бұлттарының әсері

Су (H2O) молекуласында екі байланысқан және екі жалғыз электрон жұбы бар. Осы жұптардың өзара тебілуі кеңістікте ерекше форма қалыптастырады. Жалғыз электрон жұптарының күшті тебілуі молекуланың бұрышын 104,5 градусқа дейін төмендетеді, бұл молекуланың классикалық тетраэдрлік пішінен ерекшеленеді. Бұл ерекшелік судың физикалық қасиеттеріне, оның гидратациялық қабілеті мен ерітіндідегі ерекше химиялық белсенділігіне тікелей әсер етеді.

11. Нитрат анионы (NO3-) құрылымының мысалы

NO3- анионының негізгі атомы үш байланысқан электрон жұбымен қоршалған, олар жазық үшбұрыштық геометрияны қалыптастырады. Бұл молекуланың симметриялы және тұрақты болуына септігін тигізеді. Әрбір байланыс арасындағы бұрыш шамамен 120 градус, бұл электрон жұптарының қарқынды тебілуінің нәтижесінде пайда болады. Жалғыз электрон жұптарының болмауы молекуланы біркелкі және жазық қылып, оның химиялық қасиеттерінің біртектілігіне және реакциялардың болжамдылығына себепші болады.

12. Аммоний ионы (NH4+) және оның тетраэдрлік құрылымы

NH4+ ионы орталық азот атомы мен оған байланысқан төрт сутегі атомынан құралған, олардың арасындағы төрт байланыс электрон жұбы тең бөлініп, тетраэдрлік пішін қалыптасады. Бұл пішін атомдардың кеңістіктегі максималды тең бөлінуін қамтамасыз етіп, құрылымның тұрақтылығын арттырады. Барлық байланыс бұрыштары нақты 109,5 градусқа тең, бұл молекуланың жоғары симметриялығы мен тұрақтылығына ықпал етеді. Сонымен бірге, ионның физикалық және химиялық қасиеттері — полярлығына және реакцияларға қатысу қабілетіне — осы геометриялық қалыпқа тәуелді.

13. Электрон бұлттарының саны және ВЕЖТТ бойынша құрылымды анықтау

Молекуланың валентті электрон жұптары саны оның кеңістікте қалай орналасатынын және құрылымдық геометриясын анықтайды. Байланысқан жұптар мен жалғыз электрон жұптарының ара қатынасы молекуланың полярлығына және физика-химиялық қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді. ВЕЖТ теориясы осы жұптардың бір-біріне тебілу дәрежесін есептеп, молекуланың бұрыштық мәндері мен пішінін дәл болжауға мүмкіндік береді, мұның арқасында химиялық құрылымдарды алдын ала болжау, талдау және жаңа заттар синтездеу оңайлайды.

14. Жалғыз электрон жұптарының бұрышқа әсері: салыстырмалы мысалдар

Аммиак (NH3) молекуласында бір жалғыз электрон жұбының болуы молекуланың байланысты бұрышын 107 градусқа дейін азайтады, бұл оның құрылымдық ерекшелігін айқындап, молекулалық геометриядағы өзгерісті көрсетеді. Бұған дейінгі су молекуласы (H2O) екі жалғыз электрон жұбына ие болғандықтан, байланыс бұрышы одан да азайып, 104,5 градус болады. Бұл салыстыру жалғыз электрон жұптарының молекулалық геометрияға елеулі әсер ететінін және олардың арасындағы қарым-қатынастың химиялық қасиеттерді қалыптастыруда маңызы зор екенін дәлелдейді.

15. ВЕЖТТ-ның шектеулері мен кемшіліктері

Валентті электрон жұптарының тебілу теориясы молекулалардың құрылымын түсінуде маңызды құрал болғанымен, оның кейбір шектеулері бар. Теория d-орбитальдардың әсерін, сондай-ақ молекула ішіндегі делокализацияланған байланыстарды толық қарастырмайды, бұл күрделі молекулалардың құрылымын дәл болжауда қиындық туғызады. Кейбір молекулалардың нақты құрылымы эксперименттік мәліметтермен сәйкес келмей, теорияның нақтылығына шек қояды. Сондықтан ВЕЖТ теориясын қолданғанда молекуланың барлық аспектілерін жан-жақты қарастырып, әсіресе ерекше симметриялы және үлкен молекулаларға ерекше назар аудару қажет.

16. ВЕЖТТ химиялық байланыс типтерін болжаудағы маңызы

Валентті электрон жұптарының тебілу теориясы, яғни ВЕЖТТ, молекулалардың құрылымын және олардың арасындағы атомаралық бұрыштарды болжауда маңызды рөл атқарады. Бұл теорияның негізінде молекуланың кеңістіктік тұрақтылығы мен мінез-құлқын терең түсінуге мүмкіндік туады. Ғалымдар молекуланың бұрыштық өлшемдерін дұрыс есептей отырып, оның химиялық реакцияларға қатысу белсенділігі мен физикалық қасиеттерін болжауға қабілетті. Сонымен қатар, ВЕЖТТ молекулалардың полярлық және полярсыздық қасиеттерін анықтауға үлес қосады, бұл әртүрлі еріткіштердегі ерігіштік пен химиялық реакциялардың қарқынын алдын ала анықтауға септігін тигізеді. Ең маңыздысы, бұл теория элементтер арасындағы байланыс санын дәл болжауда маңызы зор, бұл химия ғылымында жаңа материалдар мен дәрілік препараттар жобалау барысында таптырмас құрал болып табылады. Осылайша, ВЕЖТТ тек теориялық химияның ғана емес, практикалық қолдану салаларының да дамуына негіз болып отыр.

17. Молекула геометриясын анықтау алгоритмі

Валентті электрон жұптарының тебілу теориясына негізделген молекула геометриясын анықтау алгоритмі молекуланың құрылымдық ерекшеліктерін жәрдемдесіп айқындауға арналған нақты қадамдарды қамтиды. Алдымен, атомдардың сыртқы электрондық қабатындағы валентті электрондар санын анықтайды, сонан соң валентті электрон жұптары арасындағы тебілу күштерін есепке ала отырып, олардың кеңістіктегі орналасуын болжайды. Әрине, электрон жұптары өзара тебіле отырып, максималды арақашықтықта орналасуға ұмтылады, бұл молекуланың ең тұрақты геометриялық формасын қалыптастырады. Бұл қадамдар молекуланың әрбір атомының орналасуын, арадағы бұрыштарды нақты анықтап, химиялық байланыстардың күшінің сипатын ашуға мүмкіндік береді. Осындай алгоритмді зерттеу студенттер мен зерттеушілерге молекулаларды зерттеуде нақты әрі жүйелі көзқарас қалыптастыруға септігін тигізеді.

18. Қазіргі химияда ВЕЖТТ-ны қолдану мысалдары

ВЕЖТТ қазіргі заманғы химияның әртүрлі салаларында кең қолданысқа ие. Мысалы, полимер өндірісінде молекулалардың кеңістіктегі орналасуын болжау үшін бұл теория қолданылады, бұл өз кезегінде материалдардың беріктігі мен икемділігін арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, фармацевтикада дәрілік заттардың молекулалық құрылымын талдау барысында ВЕЖТТ арқылы олардың белсенді орталықтарын және реактивтік қабілеттерін анықтау жүзеге асады. Бұл дәрі-дәрмектердің тиімділігін арттыруға және жанама әсерлерін азайтуға септігін тигізеді. Осындай ғылыми ізденістер жаңа молекулалардың дизайнында және синтезінде маңызды рөл атқарады, себебі олар химиялық құрылым мен функция арасындағы байланысты түсінуге көмектеседі.

19. Қазақстан мектеп бағдарламасында теорияның орны

Қазақстанның 10-сынып химия оқу бағдарламасында ВЕЖТТ теориясы негізгі орын алады, бұл студенттерге молекулалардың кеңістікте қалай орналасатынын түсіндіруде үлкен көмек көрсетеді. Мұғалімдер бұл теорияны пайдалана отырып, химиялық байланыстардың арасындағы ерекшеліктерді және молекула пішінінің оның физикалық қасиеттеріне тигізетін әсерлерін түсіндіреді. Бұл білім әсіресе құрылымдық-химиялық ойлауды дамытуда маңызы зор, себебі студенттерге теорияны нақты практикалық есептер мен зертханалық жұмыста қолдану арқылы химия ғылымына деген қызығушылығын арттыруға мүмкіндік жасалады. Нәтижесінде, оқушылар теориялық білімін нақты тәжірибемен ұштастыра алады.

20. ВЕЖТТ: Қазіргі және болашақ химиядағы маңызы

Валентті электрон жұптарының тебілу теориясы химиядағы молекулалардың құрылымын түсінуде және келешекте олардың қасиеттерін болжауда негіз болып қала береді. Бұл теорияның көмегімен жаңа молекулаларды синтездеу, олардың химиялық және физикалық қасиеттерін зерттеу мүмкіндігі ашылады. Сонымен қатар, ВЕЖТТ химияны оқытудың әдістемелік құралы ретінде де маңызды, ол студенттерге молекуланың кеңістіктегі өзара орналасуын талдауға мүмкіндік береді. Осылайша, ВЕЖТТ қазіргі заманғы және болашақ химия ғылымының дамуына үлес қосатын басты теориялық іргетас ретінде қарастырылады.

Дереккөздер

Gillespie, R.J. The Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model of Molecular Geometry. J. Chem. Educ., 1957.

Nyholm, R.S. and Gillespie, R.J. The Electron-Pair Repulsion Theory of Molecular Geometry. Quarterly Reviews, 1957.

Cotton, F.A., and Wilkinson, G. Advanced Inorganic Chemistry, Wiley, 1988.

Miessler, G.L., Fischer, P.J., Tarr, D.A. Inorganic Chemistry, 5th Edition, Pearson, 2014.

Полинг, Л. Химическая связь. — М.:Наука, 1973.

Уотсон Э. Введение в молекулярную геометрию. — СПб.: БХВ-Петербург, 2002.

Смирнов, В.П. Основы теории валентных электронных пар. — М.: Химия, 1985.

Иванов, Б.В. Практическая химия: Учебное пособие для старшей школы. — Алматы, 2018.

Джонс, Д., и др. Современные методы определения молекулярной структуры. — Нью-Йорк: Springer, 2015.