Geometrie podle VSEPR a polarita molekul

Počítání elektronových domén kolem centrálního atomu

VSEPR vychází ze správné Lewisovy struktury. Kolem centrálního atomu spočítejte elektronové domény: každý volný elektronový pár je jedna doména a každá vazba k jinému atomu je jedna doména, ať je jednoduchá, dvojná, nebo trojná. Součet se často nazývá stérické číslo. Dvojná vazba se počítá jednou, protože její elektrony zaujímají tutéž oblast prostoru mezi dvěma atomy.

Stérické číslo určuje geometrii elektronových domén, uspořádání, které drží domény co nejdál od sebe. Dvě domény jsou lineární (180°), tři trigonální planární (120°), čtyři tetraedrické (109.5°), pět trigonálně bipyramidální (90° a 120°) a šest oktaedrických (90°).

Krátké označení pomáhá vést počet. V zápisu AXₘEₙ je A centrální atom, m je počet vázaných atomů X a n je počet volných párů E na centrálním atomu. Voda je AX₂E₂: dva vázané atomy a dva volné páry, stérické číslo 4.

Geometrie elektronových domén versus tvar molekuly

Volné páry zabírají prostor, ale nejsou to atomy, takže v názvu tvaru molekuly nejsou vidět. Molekulová geometrie popisuje jen to, kde atomy sedí. Když na centrálním atomu nejsou žádné volné páry, jsou obě geometrie stejné; když volné páry jsou, liší se.

V trigonální bipyramidě nejsou polohy rovnocenné: tři rovníkové polohy jsou od sebe vzdáleny 120° a dvě axiální polohy jsou 90° od rovníku. Volné páry jdou nejdřív do rovníkových poloh, protože rovníkové místo má jen dva sousedy v úhlu 90°, zatímco axiální místo má tři.

• Stérické číslo 3: AX₃ trigonální planární; AX₂E lomená, úhel pod 120°.
• Stérické číslo 4: AX₄ tetraedrická; AX₃E trigonálně pyramidální; AX₂E₂ lomená, úhly pod 109.5°.
• Stérické číslo 5: AX₅ trigonálně bipyramidální; AX₄E houpačka; AX₃E₂ tvar T; AX₂E₃ lineární.
• Stérické číslo 6: AX₆ oktaedrická; AX₅E čtvercově pyramidální; AX₄E₂ čtvercově planární.

Proč volné elektronové páry stlačují vazebné úhly

Volný elektronový pár je držen jen jedním jádrem, takže jeho elektronová hustota se v blízkosti centrálního atomu rozprostírá šířeji než u vazebného páru. Odpuzování proto sleduje pořadí volný pár–volný pár > volný pár–vazebný pár > vazebný pár–vazebný pár a každý další volný pár přitlačí zbývající vazby blíže k sobě.

Trend ukazuje tetraedrická řada. Methan, CH₄, bez volných párů, má úhly H–C–H 109.5°. Amoniak, NH₃, s jedním volným párem, má úhly H–N–H o něco menší. Voda se dvěma volnými páry má úhel H–O–H 104.5°, což je hodnota uvedená v OpenStax Chemistry 2e. Násobné vazby mají podobný, menší účinek, protože dvojná vazba nese víc elektronové hustoty než jednoduchá.

VSEPR předpovídá směr těchto odchylek spolehlivě, ale ne jejich přesnou velikost. Když se otázka ptá na úhel v molekule s volnými páry, odpovězte „o něco menší než“ ideální hodnota, pokud nemáte naměřená data.

Řešené příklady: fluorid chloritý a fluorid xenoničitý

Fluorid chloritý, ClF₃. Valenční elektrony: 7 + 3(7) = 28. Tři jednoduché vazby Cl–F spotřebují 6 elektronů a doplnění tří oktetů fluoru spotřebuje 3 × 6 = 18, tedy dohromady 24. Zbývající 4 elektrony připadnou chloru jako dva volné páry. Chlor má tři vazby a dva volné páry, takže je AX₃E₂ se stérickým číslem 5 a trigonálně bipyramidální geometrií elektronových domén.

Oba volné páry zaujmou rovníkové polohy. Tím zůstane jeden fluor v rovníkové rovině a dva v axiálních polohách, takže atomy tvoří tvar T. Volné páry tlačí axiální fluory směrem k rovníkovému, takže úhly F–Cl–F jsou o něco menší než 90°. Tři dipóly vazeb Cl–F se v tvaru T neruší, takže ClF₃ je polární.

Fluorid xenoničitý, XeF₄. Valenční elektrony: 8 + 4(7) = 36. Čtyři vazby Xe–F spotřebují 8 elektronů a volné páry fluoru 4 × 6 = 24, tedy dohromady 32. Zbývající 4 elektrony jsou dva volné páry na xenonu. Se čtyřmi vazbami a dvěma volnými páry je xenon AX₄E₂, stérické číslo 6, oktaedrická geometrie elektronových domén.

V oktaedru je každá poloha rovnocenná, takže první volný pár může být kdekoli; druhý jde přímo naproti němu, o 180° dál, aby se minimalizovalo odpuzování volný pár–volný pár. Čtyři fluory pak leží v jedné rovině pod úhlem 90° ke svým sousedům: čtvercově planární tvar. Každá vazba Xe–F je polární, ale protilehlé vazby míří přesně opačnými směry, takže se dipóly ruší a XeF₄ je nepolární.

Sčítání dipólů vazeb k určení polarity molekuly

Vazba mezi atomy s různou elektronegativitou je polární, s parciálním záporným nábojem (δ−) na elektronegativnějším atomu. Každý dipól vazby má velikost a směr, takže se chová jako vektor. Molekulový dipólový moment je vektorový součet všech dipólů vazeb, obvykle udávaný v debyích (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dipóly vazeb se ruší, když jsou stejné vazby rozmístěny symetricky kolem centrálního atomu. K tomu dochází u molekul AX₂ lineárních, AX₃ trigonálních planárních, AX₄ tetraedrických, AX₅ trigonálně bipyramidálních a AX₆ oktaedrických, jsou-li všechny atomy X stejné, a také u tvarů AX₄E₂ čtvercově planárního a AX₂E₃ lineárního, kde jsou volné páry rozmístěny symetricky a každá vazba míří přímo proti stejné vazbě. Jiné kombinace tvaru a substituentů obecně zanechávají výsledný dipól.

Řešené srovnání: oxid siřičitý a oxid sírový. SO₂ má 6 + 2(6) = 18 valenčních elektronů; jeho Lewisova struktura dává síře dvě vazebné domény a jeden volný pár (AX₂E), takže molekula je lomená. Dva dipóly S–O míří zčásti stejným směrem, jejich součet není nulový a SO₂ je polární. SO₃ má 6 + 3(6) = 24 valenčních elektronů a tři vazebné domény bez volného páru na síře (AX₃), takže je trigonální planární. Tři stejné dipóly rozmístěné po 120° se sečtou na nulu a SO₃ je nepolární, ačkoli každá jeho vazba je polární.

Časté chyby v tvaru a polaritě

Většina chyb vzniká vynecháním Lewisovy struktury nebo čtením plochého nákresu na papíře, jako by to byl skutečný tvar. Rychlý postup je zachytí: nakreslete Lewisovu strukturu, spočítejte domény na centrálním atomu, pojmenujte geometrii elektronových domén, odstraněním volných párů pojmenujte tvar molekuly a poté sečtěte dipóly vazeb ve třech rozměrech.

Fyzický model nebo pečlivý nákres s klínovými a čárkovanými vazbami pomáhá u posledního kroku. Pokud můžete molekulu otočit tak, že jeden dipól vazby nemá partnera mířícího opačným směrem, je molekula polární. Pokud je každá vazba vyvážena stejnou vazbou na opačné straně nebo symetrickou sadou, například třemi vazbami po 120°, je nepolární.

• Uvedení geometrie elektronových domén, když se otázka ptá na tvar molekuly. Domény vody jsou tetraedrické; její tvar je lomený.
• Zapomenutí volných párů na centrálním atomu, čímž se z NH₃ omylem stane trigonální planární molekula.
• Počítání dvojné nebo trojné vazby jako dvou nebo tří domén.
• Závěr, že molekula je polární, protože jsou polární její vazby, bez ověření, zda se dipóly neruší.
• Posuzování symetrie z plochého nákresu. CH₂Cl₂ vypadá na papíře symetricky, ale je tetraedrický se dvěma různými druhy vazeb, takže je polární.
• Umisťování volných párů do axiálních poloh trigonální bipyramidy, což dává špatný tvar pro SF₄, ClF₃ a XeF₂.