Γεωμετρία VSEPR και πολικότητα μορίων

Μέτρηση των ηλεκτρονιακών περιοχών γύρω από ένα κεντρικό άτομο

Το VSEPR ξεκινά από μια σωστή δομή Lewis. Γύρω από το κεντρικό άτομο, μετρήστε τις ηλεκτρονιακές περιοχές: κάθε μονήρες ζεύγος είναι μία περιοχή και κάθε δεσμός με άλλο άτομο είναι μία περιοχή, είτε είναι απλός, διπλός ή τριπλός. Το σύνολο ονομάζεται συχνά στερικός αριθμός. Ένας διπλός δεσμός μετρά μία φορά, επειδή τα ηλεκτρόνιά του καταλαμβάνουν την ίδια περιοχή του χώρου ανάμεσα στα δύο άτομα.

Ο στερικός αριθμός καθορίζει τη γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών, τη διάταξη που κρατά τις περιοχές όσο πιο μακριά γίνεται. Δύο περιοχές είναι γραμμικές (180°), τρεις είναι τριγωνικές επίπεδες (120°), τέσσερις είναι τετραεδρικές (109.5°), πέντε είναι τριγωνικές διπυραμιδικές (90° και 120°) και έξι είναι οκταεδρικές (90°).

Μια σύντομη ετικέτα βοηθά στην καταμέτρηση. Στον συμβολισμό AXₘEₙ, το A είναι το κεντρικό άτομο, το m ο αριθμός των ενωμένων ατόμων X και το n ο αριθμός των μονήρων ζευγών E στο κεντρικό άτομο. Το νερό είναι AX₂E₂: δύο ενωμένα άτομα και δύο μονήρη ζεύγη, στερικός αριθμός 4.

Γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών και μοριακό σχήμα

Τα μονήρη ζεύγη καταλαμβάνουν χώρο, αλλά δεν είναι άτομα, άρα δεν φαίνονται στο όνομα του μοριακού σχήματος. Η μοριακή γεωμετρία περιγράφει μόνο πού βρίσκονται τα άτομα. Όταν δεν υπάρχουν μονήρη ζεύγη στο κεντρικό άτομο, οι δύο γεωμετρίες ταυτίζονται· όταν υπάρχουν μονήρη ζεύγη, διαφέρουν.

Σε μια τριγωνική διπυραμίδα οι θέσεις δεν είναι ισοδύναμες: οι τρεις ισημερινές θέσεις απέχουν 120° μεταξύ τους και οι δύο αξονικές θέσεις είναι 90° από τον ισημερινό. Τα μονήρη ζεύγη πηγαίνουν πρώτα σε ισημερινές θέσεις, επειδή μια ισημερινή θέση έχει μόνο δύο γείτονες στις 90° ενώ μια αξονική έχει τρεις.

• Στερικός αριθμός 3: AX₃ τριγωνικό επίπεδο· AX₂E γωνιακό, γωνία κάτω από 120°.
• Στερικός αριθμός 4: AX₄ τετραεδρικό· AX₃E τριγωνική πυραμίδα· AX₂E₂ γωνιακό, γωνίες κάτω από 109.5°.
• Στερικός αριθμός 5: AX₅ τριγωνική διπυραμίδα· AX₄E σχήμα τραμπάλας· AX₃E₂ σχήμα Τ· AX₂E₃ γραμμικό.
• Στερικός αριθμός 6: AX₆ οκταεδρικό· AX₅E τετραγωνική πυραμίδα· AX₄E₂ τετραγωνικό επίπεδο.

Γιατί τα μονήρη ζεύγη συμπιέζουν τις γωνίες δεσμών

Ένα μονήρες ζεύγος συγκρατείται μόνο από έναν πυρήνα, άρα η ηλεκτρονιακή του πυκνότητα απλώνεται ευρύτερα κοντά στο κεντρικό άτομο απ' ό,τι σε ένα δεσμικό ζεύγος. Οι απώσεις ακολουθούν επομένως τη σειρά μονήρες ζεύγος–μονήρες ζεύγος > μονήρες ζεύγος–δεσμικό ζεύγος > δεσμικό ζεύγος–δεσμικό ζεύγος, και κάθε πρόσθετο μονήρες ζεύγος σφίγγει τους υπόλοιπους δεσμούς πιο κοντά.

Η τετραεδρική οικογένεια δείχνει την τάση. Το μεθάνιο, CH₄, χωρίς μονήρη ζεύγη, έχει γωνίες H–C–H 109.5°. Η αμμωνία, NH₃, με ένα μονήρες ζεύγος, έχει γωνίες H–N–H λίγο μικρότερες. Το νερό, με δύο μονήρη ζεύγη, έχει γωνία H–O–H 104.5°, την τιμή που δίνει το OpenStax Chemistry 2e. Οι πολλαπλοί δεσμοί έχουν παρόμοιο, μικρότερο αποτέλεσμα, επειδή ένας διπλός δεσμός συγκρατεί περισσότερη ηλεκτρονιακή πυκνότητα από έναν απλό.

Το VSEPR προβλέπει αξιόπιστα την κατεύθυνση αυτών των αποκλίσεων, αλλά όχι το ακριβές μέγεθός τους. Όταν μια ερώτηση ζητά μια γωνία σε μόριο με μονήρη ζεύγη, απαντήστε «ελαφρώς μικρότερη από» την ιδανική τιμή, εκτός αν έχετε μετρημένα δεδομένα.

Λυμένα παραδείγματα: τριφθοριούχο χλώριο και τετραφθοριούχο ξένο

Τριφθοριούχο χλώριο, ClF₃. Ηλεκτρόνια σθένους: 7 + 3(7) = 28. Τρεις απλοί δεσμοί Cl–F χρησιμοποιούν 6 ηλεκτρόνια και η συμπλήρωση των τριών οκτάδων του φθορίου χρησιμοποιεί 3 × 6 = 18, δηλαδή 24. Τα υπόλοιπα 4 ηλεκτρόνια πηγαίνουν στο χλώριο ως δύο μονήρη ζεύγη. Το χλώριο έχει τρεις δεσμούς και δύο μονήρη ζεύγη, άρα είναι AX₃E₂ με στερικό αριθμό 5 και γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών τριγωνικής διπυραμίδας.

Και τα δύο μονήρη ζεύγη παίρνουν ισημερινές θέσεις. Έτσι απομένει ένα φθόριο στο ισημερινό επίπεδο και δύο στις αξονικές θέσεις, άρα τα άτομα σχηματίζουν σχήμα Τ. Τα μονήρη ζεύγη σπρώχνουν τα αξονικά φθόρια προς το ισημερινό, άρα οι γωνίες F–Cl–F είναι ελαφρώς μικρότερες από 90°. Οι τρεις διπολικές ροπές Cl–F δεν αναιρούνται σε σχήμα Τ, άρα το ClF₃ είναι πολικό.

Τετραφθοριούχο ξένο, XeF₄. Ηλεκτρόνια σθένους: 8 + 4(7) = 36. Τέσσερις δεσμοί Xe–F χρησιμοποιούν 8 ηλεκτρόνια και τα μονήρη ζεύγη του φθορίου χρησιμοποιούν 4 × 6 = 24, δηλαδή 32. Τα υπόλοιπα 4 ηλεκτρόνια είναι δύο μονήρη ζεύγη στο ξένο. Με τέσσερις δεσμούς και δύο μονήρη ζεύγη, το ξένο είναι AX₄E₂, στερικός αριθμός 6, γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών οκταεδρική.

Σε ένα οκτάεδρο κάθε θέση είναι ισοδύναμη, άρα το πρώτο μονήρες ζεύγος μπορεί να μπει οπουδήποτε· το δεύτερο πηγαίνει ακριβώς απέναντί του, σε απόσταση 180°, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η άπωση μονήρους ζεύγους–μονήρους ζεύγους. Τα τέσσερα φθόρια βρίσκονται τότε σε ένα επίπεδο, με γωνία 90° ως προς τους γείτονές τους: τετραγωνικό επίπεδο. Κάθε δεσμός Xe–F είναι πολικός, αλλά οι αντίθετοι δεσμοί δείχνουν σε ακριβώς αντίθετες κατευθύνσεις, άρα οι διπολικές ροπές αναιρούνται και το XeF₄ είναι μη πολικό.

Πρόσθεση διπολικών ροπών δεσμών για την εύρεση της πολικότητας του μορίου

Ένας δεσμός ανάμεσα σε άτομα διαφορετικής ηλεκτραρνητικότητας είναι πολικός, με μερικό αρνητικό φορτίο (δ−) στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο. Κάθε διπολική ροπή δεσμού έχει μέγεθος και κατεύθυνση, άρα συμπεριφέρεται σαν διάνυσμα. Η διπολική ροπή του μορίου είναι το διανυσματικό άθροισμα όλων των διπολικών ροπών των δεσμών, που συνήθως δίνεται σε ντεμπάι (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Οι διπολικές ροπές των δεσμών αναιρούνται όταν πανομοιότυποι δεσμοί είναι διατεταγμένοι συμμετρικά γύρω από το κεντρικό άτομο. Αυτό συμβαίνει στα μόρια AX₂ γραμμικά, AX₃ τριγωνικά επίπεδα, AX₄ τετραεδρικά, AX₅ τριγωνικής διπυραμίδας και AX₆ οκταεδρικά όταν όλα τα άτομα X είναι ίδια, και επίσης στα σχήματα AX₄E₂ τετραγωνικό επίπεδο και AX₂E₃ γραμμικό, όπου τα μονήρη ζεύγη είναι διατεταγμένα συμμετρικά και κάθε δεσμός δείχνει ακριβώς αντίθετα από έναν πανομοιότυπο δεσμό. Άλλοι συνδυασμοί σχήματος και υποκαταστατών αφήνουν γενικά καθαρή διπολική ροπή.

Λυμένη σύγκριση: διοξείδιο του θείου και τριοξείδιο του θείου. Το SO₂ έχει 6 + 2(6) = 18 ηλεκτρόνια σθένους· η δομή Lewis του βάζει δύο δεσμικές περιοχές και ένα μονήρες ζεύγος στο θείο (AX₂E), άρα το μόριο είναι γωνιακό. Οι δύο διπολικές ροπές S–O δείχνουν εν μέρει προς την ίδια κατεύθυνση, το άθροισμά τους δεν είναι μηδέν και το SO₂ είναι πολικό. Το SO₃ έχει 6 + 3(6) = 24 ηλεκτρόνια σθένους και τρεις δεσμικές περιοχές χωρίς μονήρες ζεύγος στο θείο (AX₃), άρα είναι τριγωνικό επίπεδο. Τρεις ίσες διπολικές ροπές σε απόσταση 120° αθροίζουν στο μηδέν και το SO₃ είναι μη πολικό παρότι κάθε δεσμός του είναι πολικός.

Συνηθισμένα λάθη στο σχήμα και στην πολικότητα

Τα περισσότερα λάθη προέρχονται από την παράλειψη της δομής Lewis ή από την ανάγνωση του επίπεδου σχεδίου της σελίδας σαν να ήταν το πραγματικό σχήμα. Μια γρήγορη ρουτίνα τα εντοπίζει: σχεδιάστε τη δομή Lewis, μετρήστε τις περιοχές στο κεντρικό άτομο, ονομάστε τη γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών, αφαιρέστε τα μονήρη ζεύγη για να ονομάσετε το μοριακό σχήμα και έπειτα προσθέστε τις διπολικές ροπές των δεσμών στις τρεις διαστάσεις.

Ένα φυσικό μοντέλο ή ένα προσεκτικό σκίτσο με σφήνες και διακεκομμένες γραμμές βοηθά στο τελευταίο βήμα. Αν μπορείτε να περιστρέψετε το μόριο ώστε μια διπολική ροπή δεσμού να μην έχει ταίρι που δείχνει αντίθετα, το μόριο είναι πολικό. Αν κάθε δεσμός έχει πανομοιότυπο δεσμό στην αντίθετη πλευρά, ή ένα συμμετρικό σύνολο όπως τρεις δεσμοί στις 120°, το μόριο είναι μη πολικό.

• Ονομασία της γεωμετρίας ηλεκτρονιακών περιοχών όταν η ερώτηση ζητά το μοριακό σχήμα. Οι περιοχές του νερού είναι τετραεδρικές· το σχήμα του είναι γωνιακό.
• Παράλειψη των μονήρων ζευγών στο κεντρικό άτομο, κάτι που κάνει λανθασμένα την NH₃ τριγωνικό επίπεδο μόριο.
• Μέτρηση ενός διπλού ή τριπλού δεσμού ως δύο ή τρεις περιοχές.
• Συμπέρασμα ότι ένα μόριο είναι πολικό επειδή οι δεσμοί του είναι πολικοί, χωρίς έλεγχο του αν οι διπολικές ροπές αναιρούνται.
• Κρίση της συμμετρίας από επίπεδο σχέδιο. Το CH₂Cl₂ φαίνεται συμμετρικό στο χαρτί αλλά είναι τετραεδρικό με δύο διαφορετικά είδη δεσμών, άρα είναι πολικό.
• Τοποθέτηση μονήρων ζευγών σε αξονικές θέσεις μιας τριγωνικής διπυραμίδας, κάτι που δίνει λάθος σχήμα για τα SF₄, ClF₃ και XeF₂.