Геометрия по VSEPR и полярност на молекулите

Броене на електронните домейни около централния атом

VSEPR започва от правилна Луисова структура. Около централния атом пребройте електронните домейни: всяка несподелена двойка е един домейн, а всяка връзка с друг атом е един домейн, независимо дали е единична, двойна или тройна. Общият брой често се нарича стеричен брой. Двойната връзка се брои веднъж, защото електроните ѝ заемат същата област от пространството между двата атома.

Стеричният брой определя геометрията на електронните домейни, разположението, което държи домейните най-далеч един от друг. Два домейна са линейни (180°), три са плоскотриъгълни (120°), четири са тетраедрични (109.5°), пет са тригонално-бипирамидални (90° и 120°), а шест са октаедрични (90°).

Кратко означение следи броя. В означението AXₘEₙ A е централният атом, m е броят на свързаните атоми X, а n е броят на несподелените двойки E при централния атом. Водата е AX₂E₂: два свързани атома и две несподелени двойки, стеричен брой 4.

Геометрия на електронните домейни спрямо форма на молекулата

Несподелените двойки заемат място, но не са атоми, затова не се виждат в названието на формата на молекулата. Молекулната геометрия описва само къде са атомите. Когато централният атом няма несподелени двойки, двете геометрии са еднакви; когато има несподелени двойки, те се различават.

В тригоналната бипирамида позициите не са еквивалентни: трите екваториални позиции са на 120° една от друга, а двете аксиални позиции са на 90° от екватора. Несподелените двойки отиват първо на екваториални позиции, защото екваториалното място има само двама съседи на 90°, докато аксиалното има трима.

• Стеричен брой 3: AX₃ плоскотриъгълна; AX₂E ъглова, ъгъл под 120°.
• Стеричен брой 4: AX₄ тетраедрична; AX₃E тригонално-пирамидална; AX₂E₂ ъглова, ъгли под 109.5°.
• Стеричен брой 5: AX₅ тригонално-бипирамидална; AX₄E във форма на люлка; AX₃E₂ Т-образна; AX₂E₃ линейна.
• Стеричен брой 6: AX₆ октаедрична; AX₅E квадратнопирамидална; AX₄E₂ квадратна равнинна.

Защо несподелените двойки стесняват валентните ъгли

Несподелената двойка се държи само от едно ядро, така че електронната ѝ плътност се разпростира по-широко около централния атом, отколкото при свързваща двойка. Затова отблъскванията следват реда несподелена–несподелена двойка > несподелена–свързваща двойка > свързваща–свързваща двойка, а всяка добавена несподелена двойка притиска останалите връзки по-близо една до друга.

Тетраедричното семейство показва тенденцията. Метанът, CH₄, без несподелени двойки, има ъгли H–C–H от 109.5°. Амонякът, NH₃, с една несподелена двойка, има малко по-малки ъгли H–N–H. Водата, с две несподелени двойки, има ъгъл H–O–H от 104.5°, стойността, дадена в OpenStax Chemistry 2e. Многократните връзки имат подобен, но по-малък ефект, защото двойната връзка държи повече електронна плътност от единичната.

VSEPR предсказва посоката на тези отклонения надеждно, но не и точния им размер. Когато въпрос пита за ъгъл в молекула с несподелени двойки, отговаряйте „малко по-малък от“ идеалната стойност, освен ако нямате измерени данни.

Решени примери: хлорен трифлуорид и ксенонов тетрафлуорид

Хлорен трифлуорид, ClF₃. Валентни електрони: 7 + 3(7) = 28. Три единични връзки Cl–F използват 6 електрона, а допълването на трите флуорни октета използва 3 × 6 = 18, общо 24. Останалите 4 електрона отиват при хлора като две несподелени двойки. Хлорът има три връзки и две несподелени двойки, така че е AX₃E₂ със стеричен брой 5 и тригонално-бипирамидална геометрия на електронните домейни.

И двете несподелени двойки заемат екваториални позиции. Така един флуор остава в екваториалната равнина, а два са в аксиалните позиции, и атомите образуват Т-образна форма. Несподелените двойки избутват аксиалните флуори към екваториалния, така че ъглите F–Cl–F са малко под 90°. Трите диполя на връзките Cl–F не се компенсират при Т-образна форма, така че ClF₃ е полярна молекула.

Ксенонов тетрафлуорид, XeF₄. Валентни електрони: 8 + 4(7) = 36. Четири връзки Xe–F използват 8 електрона, а несподелените двойки на флуора използват 4 × 6 = 24, общо 32. Останалите 4 електрона са две несподелени двойки при ксенона. С четири връзки и две несподелени двойки ксенонът е AX₄E₂, стеричен брой 6, октаедрична геометрия на електронните домейни.

В октаедъра всички позиции са еквивалентни, така че първата несподелена двойка може да отиде навсякъде; втората отива точно срещу нея, на 180°, за да се сведе до минимум отблъскването между несподелените двойки. Четирите флуора тогава лежат в една равнина на 90° от съседите си: квадратна равнинна форма. Всяка връзка Xe–F е полярна, но противоположните връзки сочат в точно противоположни посоки, така че диполите се компенсират и XeF₄ е неполярна.

Събиране на диполите на връзките, за да се намери полярността на молекулата

Връзка между атоми с различна електроотрицателност е полярна, с частичен отрицателен заряд (δ−) върху по-електроотрицателния атом. Всеки диполен момент на връзка има големина и посока, така че се държи като вектор. Диполният момент на молекулата е векторната сума на всички диполи на връзките и обикновено се дава в дебаи (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Диполите на връзките се компенсират, когато еднакви връзки са подредени симетрично около централния атом. Това става при линейни AX₂, плоскотриъгълни AX₃, тетраедрични AX₄, тригонално-бипирамидални AX₅ и октаедрични AX₆ молекули, когато всички атоми X са еднакви, а също и при квадратна равнинна форма AX₄E₂ и линейна форма AX₂E₃, където несподелените двойки са подредени симетрично и всяка връзка сочи точно срещу еднаква връзка. Други комбинации от форма и заместители по принцип оставят нетен дипол.

Решено сравнение: серен диоксид и серен триоксид. SO₂ има 6 + 2(6) = 18 валентни електрона; Луисовата му структура поставя два свързващи домейна и една несподелена двойка при сярата (AX₂E), така че молекулата е ъглова. Двата диполя S–O сочат отчасти в една посока, сборът им не е нула и SO₂ е полярен. SO₃ има 6 + 3(6) = 24 валентни електрона и три свързващи домейна без несподелена двойка при сярата (AX₃), така че е плоскотриъгълен. Три равни диполя на 120° един от друг се сумират до нула и SO₃ е неполярен, макар че всяка връзка в него е полярна.

Чести грешки с формата и полярността

Повечето грешки идват от пропускането на Луисовата структура или от четенето на плоския чертеж на страницата така, сякаш е реалната форма. Бърза рутина ги улавя: начертайте Луисовата структура, пребройте домейните при централния атом, назовете геометрията на електронните домейни, махнете несподелените двойки, за да назовете формата на молекулата, и после съберете диполите на връзките в три измерения.

Физически модел или внимателна скица с клинове и прекъснати линии помага при последната стъпка. Ако можете да завъртите молекулата така, че един дипол на връзка да няма партньор, сочещ в обратната посока, молекулата е полярна. Ако всяка връзка е съчетана с еднаква връзка на срещуположната страна или със симетричен набор, като три връзки на 120°, тя е неполярна.

• Назоваване на геометрията на електронните домейни, когато въпросът пита за формата на молекулата. Домейните на водата са тетраедрични; формата ѝ е ъглова.
• Забравяне на несподелените двойки при централния атом, което по грешка превръща NH₃ в плоскотриъгълна молекула.
• Броене на двойна или тройна връзка като два или три домейна.
• Извод, че молекулата е полярна, защото връзките ѝ са полярни, без да се провери дали диполите се компенсират.
• Преценка на симетрията по плосък чертеж. CH₂Cl₂ изглежда симетричен на хартия, но е тетраедричен с два различни вида връзки, така че е полярен.
• Поставяне на несподелени двойки в аксиални позиции на тригонална бипирамида, което дава грешна форма за SF₄, ClF₃ и XeF₂.