Молекула BF₃ имеет плоскостную структуру, а NF₃ – объёмную (пирамидальную). В чём причина различия в строении молекул?

Различие в пространственном строении молекул BF₃ (трифторид бора) и NF₃ (трифторид азота) объясняется различным строением электронных оболочек центральных атомов — бора и азота, а точнее, разным числом неподелённых электронных пар на центральном атоме.

Для объяснения геометрии этих молекул используют теорию отталкивания электронных пар валентной оболочки (теорию Гиллеспи, или VSEPR). Согласно этой теории, электронные пары вокруг центрального атома располагаются так, чтобы взаимное отталкивание между ними было минимальным.

1. Строение молекулы BF₃

Бор (B) находится в 13-й группе периодической системы и имеет 3 валентных электрона. Каждый из этих электронов участвует в образовании ковалентной связи с атомом фтора.

Таким образом, в молекуле BF₃:

• Центральный атом бора образует три ковалентные связи B–F.

• Вокруг атома бора находятся три связывающие электронные пары.

• Неподелённых электронных пар на атоме бора нет.

Три связывающие электронные пары отталкиваются друг от друга и располагаются на максимальном расстоянии, образуя углы по 120°.

Геометрия молекулы BF₃ — плоская треугольная (тригональная). Все четыре атома находятся в одной плоскости, а валентные углы F–B–F равны 120°.

В рамках метода валентных связей такая геометрия описывается sp²-гибридизацией орбиталей атома бора.

2. Строение молекулы NF₃

Азот (N) находится в 15-й группе периодической системы и имеет 5 валентных электронов.

В молекуле NF₃:

• Центральный атом азота образует три ковалентные связи N–F.

• Три электронные пары участвуют в образовании связей.

• Одна электронная пара остаётся неподелённой и принадлежит атому азота.

Следовательно, вокруг центрального атома азота находятся четыре электронные пары: три связывающие и одна неподелённая.

Эти четыре электронные пары стремятся расположиться в пространстве приблизительно тетраэдрически, чтобы уменьшить взаимное отталкивание.

Однако неподелённая электронная пара отталкивает связывающие пары сильнее, чем связывающие пары отталкиваются друг от друга. Поэтому углы между связями N–F становятся меньше идеального тетраэдрического угла 109,5°.

Геометрия молекулы NF₃ — тригональная пирамидальная. Атом азота находится в вершине пирамиды, а три атома фтора образуют её треугольное основание.

Угол F–N–F составляет приблизительно 102,5°. В рамках метода валентных связей электронное окружение атома азота обычно описывают sp³-гибридизацией.

3. Сравнение строения BF₃ и NF₃

Вывод

Главная причина различия в строении молекул BF₃ и NF₃ заключается в наличии неподелённой электронной пары у центрального атома азота и её отсутствии у атома бора.

В молекуле BF₃ имеются только три связывающие электронные пары, поэтому молекула приобретает плоскую треугольную форму с углами 120°.

В молекуле NF₃, кроме трёх связывающих пар, присутствует одна неподелённая электронная пара, которая оказывает дополнительное отталкивающее действие и приводит к пирамидальной форме молекулы.

Таким образом, пространственное строение молекул определяется не только числом химических связей, но и количеством неподелённых электронных пар центрального атома.