የVSEPR ጂኦሜትሪና የሞለኪውል ዋልታነት

በማዕከላዊ አቶም ዙሪያ የኤሌክትሮን ክልሎችን መቁጠር

VSEPR የሚጀምረው ከትክክለኛ የሌዊስ መዋቅር ነው። በማዕከላዊው አቶም ዙሪያ የኤሌክትሮን ክልሎችን ይቁጠሩ፦ እያንዳንዱ ብቸኛ ጥንድ አንድ ክልል ነው፤ ከሌላ አቶም ጋር ያለ እያንዳንዱ ቦንድ፣ ነጠላ፣ ድርብ ወይም ሦስትዮሽ ቢሆንም፣ አንድ ክልል ነው። ጠቅላላው ብዙውን ጊዜ ስቴሪክ ቁጥር ይባላል። ድርብ ቦንድ አንድ ጊዜ ይቆጠራል፤ ምክንያቱም ኤሌክትሮኖቹ በሁለቱ አቶሞች መካከል ያለውን ተመሳሳይ የጠፈር ክልል ይይዛሉ።

ስቴሪክ ቁጥሩ የኤሌክትሮን-ክልል ጂኦሜትሪን ይወስናል፤ ክልሎቹን እጅግ የሚያራርቀው አቀማመጥ። ሁለት ክልሎች ቀጥተኛ (180°)፣ ሦስት ሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ (120°)፣ አራት ቴትራሄድራል (109.5°)፣ አምስት ትሪጎናል ባይፒራሚዳል (90° እና 120°)፣ ስድስት ደግሞ ኦክታሄድራል (90°) ናቸው።

አጭር መለያ ቆጠራውን ይከታተላል። በAXₘEₙ ምልክት አጻጻፍ A ማዕከላዊው አቶም፣ m የተተሳሰሩ አቶሞች X ብዛት፣ n ደግሞ በማዕከላዊው አቶም ላይ ያሉ ብቸኛ ጥንዶች E ብዛት ነው። ውሃ AX₂E₂ ነው፦ ሁለት የተተሳሰሩ አቶሞችና ሁለት ብቸኛ ጥንዶች፣ ስቴሪክ ቁጥር 4።

የኤሌክትሮን-ክልል ጂኦሜትሪ ከሞለኪውል ቅርፅ ጋር

ብቸኛ ጥንዶች ቦታ ይይዛሉ፤ ነገር ግን አቶሞች አይደሉም፤ ስለዚህ በሞለኪውላዊው ቅርፅ ስም አይታዩም። የሞለኪውል ጂኦሜትሪ አቶሞች የት እንደሚቀመጡ ብቻ ይገልጻል። በማዕከላዊው አቶም ላይ ብቸኛ ጥንዶች ሳይኖሩ ሁለቱ ጂኦሜትሪዎች ተመሳሳይ ናቸው፤ ብቸኛ ጥንዶች ሲኖሩ ግን ይለያያሉ።

በትሪጎናል ባይፒራሚድ ውስጥ ቦታዎቹ እኩል አይደሉም፦ ሦስቱ ኢኳቶሪያል ቦታዎች 120° ተራርቀዋል፤ ሁለቱ አክሲያል ቦታዎች ደግሞ ከኢኳቶሩ 90° ናቸው። ብቸኛ ጥንዶች መጀመሪያ ወደ ኢኳቶሪያል ቦታዎች ይሄዳሉ፤ ምክንያቱም ኢኳቶሪያል ቦታ በ90° ሁለት ጎረቤቶች ብቻ ሲኖሩት አክሲያል ቦታ ሦስት አለው።

• ስቴሪክ ቁጥር 3፦ AX₃ ሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ፤ AX₂E የታጠፈ፣ ማዕዘን ከ120° በታች።
• ስቴሪክ ቁጥር 4፦ AX₄ ቴትራሄድራል፤ AX₃E ትሪጎናል ፒራሚዳል፤ AX₂E₂ የታጠፈ፣ ማዕዘኖች ከ109.5° በታች።
• ስቴሪክ ቁጥር 5፦ AX₅ ትሪጎናል ባይፒራሚዳል፤ AX₄E ሲሶው፤ AX₃E₂ ቲ-ቅርፅ፤ AX₂E₃ ቀጥተኛ።
• ስቴሪክ ቁጥር 6፦ AX₆ ኦክታሄድራል፤ AX₅E ካሬ ፒራሚዳል፤ AX₄E₂ ካሬ ጠፍጣፋ።

ብቸኛ ጥንዶች የቦንድ ማዕዘኖችን ለምን ያጠባሉ

ብቸኛ ጥንድ በአንድ ኒውክሊየስ ብቻ ስለሚያዝ የኤሌክትሮን ጥግግቱ ከቦንድ ጥንድ ይልቅ በማዕከላዊው አቶም አጠገብ በስፋት ይሰራጫል። ስለዚህ መገፋፋቶች ይህንን ቅደም ተከተል ይከተላሉ፦ ብቸኛ ጥንድ–ብቸኛ ጥንድ > ብቸኛ ጥንድ–የቦንድ ጥንድ > የቦንድ ጥንድ–የቦንድ ጥንድ፤ እያንዳንዱ የተጨመረ ብቸኛ ጥንድም የቀሩትን ቦንዶች እርስ በርስ ያቀራርባል።

የቴትራሄድራል ቤተሰብ አዝማሚያውን ያሳያል። ብቸኛ ጥንድ የሌለው ሚቴን CH₄ የH–C–H ማዕዘኖቹ 109.5° ናቸው። አንድ ብቸኛ ጥንድ ያለው አሞኒያ NH₃ የH–N–H ማዕዘኖቹ ትንሽ ያነሱ ናቸው። ሁለት ብቸኛ ጥንዶች ያሉት ውሃ የH–O–H ማዕዘኑ 104.5° ነው፤ ይህም በOpenStax Chemistry 2e የተሰጠው እሴት ነው። ድርብ ቦንድ ከነጠላ ቦንድ የበለጠ የኤሌክትሮን ጥግግት ስለሚይዝ ብዙ ቦንዶች ተመሳሳይ ትንሽ ውጤት አላቸው።

VSEPR የእነዚህን ልዩነቶች አቅጣጫ በአስተማማኝ ሁኔታ ይተነብያል፤ ትክክለኛ መጠናቸውን ግን አይተነብይም። ጥያቄ ብቸኛ ጥንዶች ባሉት ሞለኪውል ውስጥ ማዕዘን ሲጠይቅ የተለካ መረጃ ከሌለዎት ከተስማሚው እሴት "በትንሹ ያነሰ" ብለው ይመልሱ።

የተሠሩ ምሳሌዎች፦ ክሎሪን ትራይፍሎራይድና ዜኖን ቴትራፍሎራይድ

ክሎሪን ትራይፍሎራይድ ClF₃። ቫለንስ ኤሌክትሮኖች፦ 7 + 3(7) = 28። ሦስት የCl–F ነጠላ ቦንዶች 6 ኤሌክትሮኖችን ይጠቀማሉ፤ የሦስቱን የፍሎሪን ስምንትዮሽ ማሟላት 3 × 6 = 18 ይጠቀማል፤ በጠቅላላው 24። የቀሩት 4 ኤሌክትሮኖች በክሎሪን ላይ እንደ ሁለት ብቸኛ ጥንዶች ይሄዳሉ። ክሎሪን ሦስት ቦንዶችና ሁለት ብቸኛ ጥንዶች አሉት፤ ስለዚህ AX₃E₂ ነው፤ ስቴሪክ ቁጥሩ 5 ሲሆን የኤሌክትሮን-ክልል ጂኦሜትሪው ትሪጎናል ባይፒራሚዳል ነው።

ሁለቱም ብቸኛ ጥንዶች ኢኳቶሪያል ቦታዎችን ይይዛሉ። ይህ አንድ ፍሎሪን በኢኳቶሪያል ደረጃ ላይ ሁለቱን ደግሞ በአክሲያል ቦታዎች ይተዋል፤ ስለዚህ አቶሞቹ የቲ ቅርፅ ይሠራሉ። ብቸኛ ጥንዶቹ የአክሲያል ፍሎሪኖችን ወደ ኢኳቶሪያሉ ይገፋሉ፤ ስለዚህ የF–Cl–F ማዕዘኖች ከ90° በትንሹ ያነሱ ናቸው። ሦስቱ የCl–F ቦንድ ዳይፖሎች በቲ ቅርፅ አይሰረዙም፤ ስለዚህ ClF₃ ዋልታ ነው።

ዜኖን ቴትራፍሎራይድ XeF₄። ቫለንስ ኤሌክትሮኖች፦ 8 + 4(7) = 36። አራት የXe–F ቦንዶች 8 ኤሌክትሮኖችን ይጠቀማሉ፤ የፍሎሪን ብቸኛ ጥንዶች 4 × 6 = 24 ይጠቀማሉ፤ በጠቅላላው 32። የቀሩት 4 ኤሌክትሮኖች በዜኖን ላይ ሁለት ብቸኛ ጥንዶች ናቸው። ከአራት ቦንዶችና ከሁለት ብቸኛ ጥንዶች ጋር ዜኖን AX₄E₂ ነው፤ ስቴሪክ ቁጥር 6፣ የኤሌክትሮን-ክልል ጂኦሜትሪው ኦክታሄድራል።

በኦክታሄድሮን ውስጥ እያንዳንዱ ቦታ እኩል ነው፤ ስለዚህ የመጀመሪያው ብቸኛ ጥንድ የትኛውም ቦታ መሄድ ይችላል፤ ሁለተኛው በቀጥታ ከእሱ ተቃራኒ፣ 180° ርቆ ይሄዳል፤ በብቸኛ ጥንድ–ብቸኛ ጥንድ መገፋፋትን ለመቀነስ። አራቱ ፍሎሪኖች ከጎረቤቶቻቸው በ90° በአንድ ደረጃ ላይ ይተኛሉ፦ ካሬ ጠፍጣፋ። እያንዳንዱ የXe–F ቦንድ ዋልታ ነው፤ ተቃራኒ ቦንዶች ግን በትክክል ወደ ተቃራኒ አቅጣጫ ያመለክታሉ፤ ስለዚህ ዳይፖሎቹ ይሰረዛሉ፤ XeF₄ ዋልታ አይደለም።

የሞለኪውል ዋልታነትን ለማግኘት የቦንድ ዳይፖሎችን መደመር

የተለያየ ኤሌክትሮኔጋቲቪቲ ባላቸው አቶሞች መካከል ያለ ቦንድ ዋልታ ነው፤ በበለጠ ኤሌክትሮኔጋቲቭ አቶም ላይ ከፊል አሉታዊ ክፍያ (δ−) አለው። እያንዳንዱ የቦንድ ዳይፖል መጠንና አቅጣጫ አለው፤ ስለዚህ እንደ ቬክተር ይሠራል። የሞለኪውል ዳይፖል ሞመንት የሁሉም የቦንድ ዳይፖሎች የቬክተር ድምር ነው፤ ብዙውን ጊዜ በደባይ (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m) ይዘገባል።

ተመሳሳይ ቦንዶች በማዕከላዊው አቶም ዙሪያ በተመጣጠነ ሁኔታ ሲደረደሩ የቦንድ ዳይፖሎች ይሰረዛሉ። ይህ ሁሉም የX አቶሞች ተመሳሳይ ሲሆኑ ለAX₂ ቀጥተኛ፣ AX₃ ሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ፣ AX₄ ቴትራሄድራል፣ AX₅ ትሪጎናል ባይፒራሚዳል እና AX₆ ኦክታሄድራል ሞለኪውሎች ይከሰታል፤ እንዲሁም ብቸኛ ጥንዶቹ በተመጣጠነ ሁኔታ ለተደረደሩባቸውና እያንዳንዱ ቦንድ በቀጥታ ከተመሳሳይ ቦንድ ተቃራኒ ለሚያመለክትባቸው ለAX₄E₂ ካሬ ጠፍጣፋ እና AX₂E₃ ቀጥተኛ ቅርፆች። ሌሎች የቅርፅና የተተኪዎች ጥምረቶች በአጠቃላይ የተጣራ ዳይፖል ይተዋሉ።

የተሠራ ንጽጽር፦ ሰልፈር ዳይኦክሳይድና ሰልፈር ትራይኦክሳይድ። SO₂ 6 + 2(6) = 18 ቫለንስ ኤሌክትሮኖች አሉት፤ የሌዊስ መዋቅሩ በሰልፈር ላይ ሁለት የቦንድ ክልሎችና አንድ ብቸኛ ጥንድ ያስቀምጣል (AX₂E)፤ ስለዚህ ሞለኪውሉ የታጠፈ ነው። ሁለቱ የS–O ዳይፖሎች በከፊል ወደ ተመሳሳይ አቅጣጫ ያመለክታሉ፤ ድምራቸው ዜሮ አይደለም፤ SO₂ ዋልታ ነው። SO₃ 6 + 3(6) = 24 ቫለንስ ኤሌክትሮኖች እና በሰልፈር ላይ ብቸኛ ጥንድ የሌለው ሦስት የቦንድ ክልሎች አሉት (AX₃)፤ ስለዚህ ሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ ነው። 120° የተራራቁ ሦስት እኩል ዳይፖሎች ድምር ዜሮ ነው፤ በውስጡ ያለው እያንዳንዱ ቦንድ ዋልታ ቢሆንም SO₃ ዋልታ አይደለም።

የተለመዱ የቅርፅና የዋልታነት ስህተቶች

አብዛኞቹ ስህተቶች የሚመጡት የሌዊስ መዋቅርን ከመዝለል ወይም በገጹ ላይ ያለውን ጠፍጣፋ ሥዕል እውነተኛው ቅርፅ እንደሆነ አድርጎ ከማንበብ ነው። ፈጣን አሠራር ይይዛቸዋል፦ የሌዊስ መዋቅሩን ይሳሉ፣ በማዕከላዊው አቶም ላይ ያሉ ክልሎችን ይቁጠሩ፣ የኤሌክትሮን-ክልል ጂኦሜትሪውን ይሰይሙ፣ የሞለኪውሉን ቅርፅ ለመሰየም ብቸኛ ጥንዶቹን ያስወግዱ፣ ከዚያ የቦንድ ዳይፖሎችን በሦስት ስፋት ይደምሩ።

አካላዊ ሞዴል ወይም ጥንቃቄ ያለው የሽብልቅ-እና-ሰረዝ ንድፍ ለመጨረሻው ደረጃ ይረዳል። ሞለኪውሉን አንድ የቦንድ ዳይፖል ወደ ተቃራኒ አቅጣጫ የሚያመለክት አጋር እንዳይኖረው ማሽከርከር ከቻሉ ሞለኪውሉ ዋልታ ነው። እያንዳንዱ ቦንድ በተቃራኒ ጎን ባለ ተመሳሳይ ቦንድ ከተመሳሰለ፣ ወይም እንደ 120° ሦስት ቦንዶች ባለ የተመጣጠነ ስብስብ ከተመሳሰለ ዋልታ አይደለም።

• ጥያቄው የሞለኪውል ቅርፅን ሲጠይቅ የኤሌክትሮን-ክልል ጂኦሜትሪን መሰየም። የውሃ ክልሎች ቴትራሄድራል ናቸው፤ ቅርፁ ግን የታጠፈ ነው።
• በማዕከላዊው አቶም ላይ ያሉ ብቸኛ ጥንዶችን መርሳት፤ ይህም NH₃ን በስህተት ሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ ሞለኪውል ያደርገዋል።
• ድርብ ወይም ሦስትዮሽ ቦንድን እንደ ሁለት ወይም ሦስት ክልሎች መቁጠር።
• ቦንዶቹ ዋልታ ስለሆኑ ብቻ ሞለኪውሉ ዋልታ ነው ብሎ መደምደም፣ ዳይፖሎቹ ይሰረዙ እንደሆነ ሳይፈትሹ።
• ተመጣጣኝነትን ከጠፍጣፋ ሥዕል መገምገም። CH₂Cl₂ በወረቀት ላይ የተመጣጠነ ይመስላል፤ ግን ሁለት የተለያዩ የቦንድ ዓይነቶች ያሉት ቴትራሄድራል ነው፤ ስለዚህ ዋልታ ነው።
• ብቸኛ ጥንዶችን በትሪጎናል ባይፒራሚድ አክሲያል ቦታዎች ማስቀመጥ፤ ይህም ለSF₄፣ ClF₃ እና XeF₂ የተሳሳተ ቅርፅ ይሰጣል።