VSEPR geometrija i polarnost molekula

Brojanje elektronskih domena oko centralnog atoma

VSEPR počinje od ispravne Lewisove strukture. Oko centralnog atoma prebrojite elektronske domene: svaki slobodni elektronski par je jedna domena, a svaka veza s drugim atomom je jedna domena bez obzira je li jednostruka, dvostruka ili trostruka. Ukupan broj često se naziva steričkim brojem. Dvostruka veza računa se jednom jer njeni elektroni zauzimaju isto područje prostora između dva atoma.

Sterički broj određuje geometriju elektronskih domena, raspored koji drži domene što dalje jedne od drugih. Dvije domene su linearne (180°), tri su trigonalno planarne (120°), četiri su tetraedarske (109.5°), pet je trigonalno bipiramidalno (90° i 120°), a šest je oktaedarsko (90°).

Kratka oznaka prati broj. U zapisu AXₘEₙ, A je centralni atom, m je broj vezanih atoma X, a n je broj slobodnih parova E na centralnom atomu. Voda je AX₂E₂: dva vezana atoma i dva slobodna para, steričkog broja 4.

Geometrija elektronskih domena naspram oblika molekule

Slobodni elektronski parovi zauzimaju prostor, ali nisu atomi, pa su nevidljivi u nazivu oblika molekule. Molekulska geometrija opisuje samo gdje se atomi nalaze. Kada na centralnom atomu nema slobodnih parova, dvije geometrije su iste; kada ih ima, razlikuju se.

U trigonalnoj bipiramidi položaji nisu ekvivalentni: tri ekvatorijalna položaja udaljena su 120° jedan od drugog, a dva aksijalna položaja su 90° od ekvatora. Slobodni parovi prvo idu na ekvatorijalne položaje, jer ekvatorijalno mjesto ima samo dva susjeda na 90°, dok aksijalno mjesto ima tri.

• Sterički broj 3: AX₃ trigonalno planarna; AX₂E savijena, ugao ispod 120°.
• Sterički broj 4: AX₄ tetraedarska; AX₃E trigonalno piramidalna; AX₂E₂ savijena, uglovi ispod 109.5°.
• Sterički broj 5: AX₅ trigonalno bipiramidalna; AX₄E oblik ljuljaške; AX₃E₂ T-oblika; AX₂E₃ linearna.
• Sterički broj 6: AX₆ oktaedarska; AX₅E kvadratno piramidalna; AX₄E₂ kvadratno planarna.

Zašto slobodni elektronski parovi sabijaju uglove veza

Slobodni elektronski par drži samo jedno jezgro, pa se njegova elektronska gustoća širi šire oko centralnog atoma nego kod veznog para. Odbijanja stoga slijede redoslijed slobodni par–slobodni par > slobodni par–vezni par > vezni par–vezni par, a svaki dodani slobodni par pritišće preostale veze bliže jednu drugoj.

Tetraedarska porodica pokazuje trend. Metan, CH₄, bez slobodnih parova, ima uglove H–C–H od 109.5°. Amonijak, NH₃, s jednim slobodnim parom, ima uglove H–N–H nešto manje. Voda, s dva slobodna para, ima ugao H–O–H od 104.5°, vrijednost navedenu u OpenStax Chemistry 2e. Višestruke veze imaju sličan, manji učinak, jer dvostruka veza drži više elektronske gustoće od jednostruke.

VSEPR pouzdano predviđa smjer ovih odstupanja, ali ne i njihovu tačnu veličinu. Kada pitanje traži ugao u molekuli sa slobodnim parovima, odgovorite „nešto manji od“ idealne vrijednosti, osim ako imate izmjerene podatke.

Riješeni primjeri: hlor-trifluorid i ksenon-tetrafluorid

Hlor-trifluorid, ClF₃. Valentni elektroni: 7 + 3(7) = 28. Tri jednostruke veze Cl–F troše 6 elektrona, a dovršavanje tri okteta fluora troši 3 × 6 = 18, ukupno 24. Preostala 4 elektrona idu na hlor kao dva slobodna para. Hlor ima tri veze i dva slobodna para, pa je AX₃E₂ sa steričkim brojem 5 i trigonalno bipiramidalnom geometrijom elektronskih domena.

Oba slobodna para zauzimaju ekvatorijalne položaje. Tako jedan fluor ostaje u ekvatorijalnoj ravni, a dva su u aksijalnim položajima, pa atomi tvore oblik slova T. Slobodni parovi guraju aksijalne fluore prema ekvatorijalnom, pa su uglovi F–Cl–F nešto manji od 90°. Tri dipola veze Cl–F ne poništavaju se u obliku slova T, pa je ClF₃ polaran.

Ksenon-tetrafluorid, XeF₄. Valentni elektroni: 8 + 4(7) = 36. Četiri veze Xe–F troše 8 elektrona, a slobodni parovi fluora 4 × 6 = 24, ukupno 32. Preostala 4 elektrona su dva slobodna para na ksenonu. S četiri veze i dva slobodna para, ksenon je AX₄E₂, sterički broj 6, oktaedarska geometrija elektronskih domena.

U oktaedru je svaki položaj ekvivalentan, pa prvi slobodni par može ići bilo gdje; drugi ide direktno nasuprot, 180° dalje, da se smanji odbijanje slobodni par–slobodni par. Četiri fluora tada leže u jednoj ravni pod 90° prema susjedima: kvadratno planarno. Svaka veza Xe–F je polarna, ali suprotne veze pokazuju u tačno suprotnim smjerovima, pa se dipoli poništavaju i XeF₄ je nepolaran.

Zbrajanje dipola veza radi određivanja polarnosti molekule

Veza između atoma različite elektronegativnosti je polarna, s parcijalnim negativnim nabojem (δ−) na elektronegativnijem atomu. Svaki dipol veze ima veličinu i smjer, pa se ponaša kao vektor. Molekulski dipolni moment je vektorski zbir svih dipola veza, obično izražen u debajima (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dipoli veza se poništavaju kada su identične veze simetrično raspoređene oko centralnog atoma. To se događa za linearne AX₂, trigonalno planarne AX₃, tetraedarske AX₄, trigonalno bipiramidalne AX₅ i oktaedarske AX₆ molekule kada su svi atomi X isti, a također za kvadratno planarne AX₄E₂ i linearne AX₂E₃ oblike, gdje su slobodni parovi simetrično raspoređeni i svaka veza pokazuje direktno suprotno od identične veze. Druge kombinacije oblika i supstituenata općenito ostavljaju neto dipol.

Riješeno poređenje: sumpor-dioksid i sumpor-trioksid. SO₂ ima 6 + 2(6) = 18 valentnih elektrona; njegova Lewisova struktura stavlja dvije vezne domene i jedan slobodni par na sumpor (AX₂E), pa je molekula savijena. Dva dipola S–O djelimično pokazuju u istom smjeru, njihov zbir nije nula i SO₂ je polaran. SO₃ ima 6 + 3(6) = 24 valentna elektrona i tri vezne domene bez slobodnog para na sumporu (AX₃), pa je trigonalno planaran. Tri jednaka dipola na 120° jedan od drugog daju zbir nula, pa je SO₃ nepolaran iako je svaka veza u njemu polarna.

Česte greške s oblikom i polarnošću

Većina grešaka potiče od preskakanja Lewisove strukture ili od čitanja ravnog crteža na stranici kao da je stvarni oblik. Brza rutina ih hvata: nacrtajte Lewisovu strukturu, prebrojite domene na centralnom atomu, imenujte geometriju elektronskih domena, uklonite slobodne parove da imenujete oblik molekule, a zatim zbrojite dipole veza u tri dimenzije.

Fizički model ili pažljiva skica s klinastim i isprekidanim crtama pomaže pri posljednjem koraku. Ako molekulu možete zarotirati tako da jedan dipol veze nema partnera koji pokazuje suprotno, molekula je polarna. Ako je svaka veza uparena identičnom vezom na suprotnoj strani, ili simetričnim skupom poput tri veze na 120°, ona je nepolarna.

• Navođenje geometrije elektronskih domena kada pitanje traži oblik molekule. Domene vode su tetraedarske; njen oblik je savijen.
• Zaboravljanje slobodnih parova na centralnom atomu, zbog čega NH₃ greškom postaje trigonalno planarna molekula.
• Brojanje dvostruke ili trostruke veze kao dvije ili tri domene.
• Zaključivanje da je molekula polarna jer su njene veze polarne, bez provjere poništavaju li se dipoli.
• Prosuđivanje simetrije prema ravnom crtežu. CH₂Cl₂ na papiru izgleda simetrično, ali je tetraedarska s dvije različite vrste veza, pa je polarna.
• Stavljanje slobodnih parova u aksijalne položaje trigonalne bipiramide, što daje pogrešan oblik za SF₄, ClF₃ i XeF₂.