VSEPR-geomeetria ja molekuli polaarsus

Elektronpiirkondade lugemine keskaatomi ümber

VSEPR algab õigest Lewise struktuurist. Loe keskaatomi ümber elektronpiirkonnad: iga vaba elektronpaar on üks piirkond ja iga side teise aatomiga on üks piirkond, olenemata sellest, kas see on lihtside, kaksikside või kolmikside. Kogusummat nimetatakse sageli steeriliseks arvuks. Kaksikside loetakse üks kord, sest selle elektronid hõivavad sama ruumipiirkonna kahe aatomi vahel.

Steeriline arv määrab elektronpiirkondade geomeetria, paigutuse, mis hoiab piirkonnad üksteisest kõige kaugemal. Kaks piirkonda on lineaarsed (180°), kolm on kolmnurksed tasapinnalised (120°), neli on tetraeedrilised (109.5°), viis on kolmnurksed bipüramiidsed (90° ja 120°) ja kuus on oktaeedrilised (90°).

Lühike tähis hoiab loendust. Tähistuses AXₘEₙ on A keskaatom, m on seotud aatomite X arv ja n on keskaatomi vabade elektronpaaride E arv. Vesi on AX₂E₂: kaks seotud aatomit ja kaks vaba paari, steeriline arv 4.

Elektronpiirkondade geomeetria versus molekuli kuju

Vabad elektronpaarid võtavad ruumi, kuid need ei ole aatomid, seega on nad molekuli kuju nimes nähtamatud. Molekulaargeomeetria kirjeldab ainult seda, kus aatomid asuvad. Kui keskaatomil ei ole vabu paare, on need kaks geomeetriat samad; kui vabu paare on, erinevad need.

Kolmnurkses bipüramiidis ei ole asukohad samaväärsed: kolm ekvatoriaalset asukohta on 120° teineteisest ja kaks aksiaalset asukohta on ekvaatorist 90°. Vabad paarid lähevad esmalt ekvatoriaalsetesse asukohtadesse, sest ekvatoriaalsel kohal on ainult kaks naabrit 90° juures, aksiaalsel kohal aga kolm.

• Steeriline arv 3: AX₃ kolmnurkne tasapinnaline; AX₂E nurgakujuline, nurk alla 120°.
• Steeriline arv 4: AX₄ tetraeedriline; AX₃E kolmnurkne püramiidne; AX₂E₂ nurgakujuline, nurgad alla 109.5°.
• Steeriline arv 5: AX₅ kolmnurkne bipüramiidne; AX₄E kiikjas; AX₃E₂ T-kujuline; AX₂E₃ lineaarne.
• Steeriline arv 6: AX₆ oktaeedriline; AX₅E nelinurkne püramiidne; AX₄E₂ ruuttasapinnaline.

Miks vabad elektronpaarid suruvad sidenurki kokku

Vaba elektronpaari hoiab ainult üks tuum, seega levib selle elektrontihedus keskaatomi lähedal laiemalt kui sidemepaaril. Tõukejõud järgivad seega järjekorda vaba paar–vaba paar > vaba paar–sidemepaar > sidemepaar–sidemepaar ja iga lisatud vaba paar surub ülejäänud sidemed lähemale.

Tetraeedriline perekond näitab seaduspärasust. Metaanil CH₄, millel pole vabu paare, on H–C–H nurgad 109.5°. Ammoniaagil NH₃, millel on üks vaba paar, on H–N–H nurgad veidi väiksemad. Vee puhul, millel on kaks vaba paari, on H–O–H nurk 104.5°, väärtus, mis on antud raamatus OpenStax Chemistry 2e. Mitmiksidemetel on sarnane, väiksem mõju, sest kaksikside hoiab rohkem elektrontihedust kui lihtside.

VSEPR ennustab nende kõrvalekallete suunda usaldusväärselt, kuid mitte nende täpset suurust. Kui küsimus küsib nurka molekulis, millel on vabu paare, vasta „veidi alla” ideaalse väärtuse, kui sul ei ole mõõdetud andmeid.

Lahendatud näited: klooritrifluoriid ja ksenoontetrafluoriid

Klooritrifluoriid, ClF₃. Valentselektronid: 7 + 3(7) = 28. Kolm Cl–F lihtsidet kasutavad 6 elektroni ja kolme fluoriaatomi oktettide täiendamine kasutab 3 × 6 = 18, kokku 24. Ülejäänud 4 elektroni lähevad kloorile kahe vaba paarina. Kloril on kolm sidet ja kaks vaba paari, seega on see AX₃E₂ steerilise arvuga 5 ja kolmnurkse bipüramiidse elektronpiirkondade geomeetriaga.

Mõlemad vabad paarid võtavad ekvatoriaalsed asukohad. See jätab ühe fluori ekvatoriaaltasandile ja kaks aksiaalsetesse asukohtadesse, seega moodustavad aatomid T-kuju. Vabad paarid tõukavad aksiaalseid fluore ekvatoriaalse poole, seega on F–Cl–F nurgad veidi alla 90°. Kolm Cl–F sidemedipooli ei tühista T-kujus üksteist, seega on ClF₃ polaarne.

Ksenoontetrafluoriid, XeF₄. Valentselektronid: 8 + 4(7) = 36. Neli Xe–F sidet kasutavad 8 elektroni ja fluori vabad paarid kasutavad 4 × 6 = 24, kokku 32. Ülejäänud 4 elektroni on kaks vaba paari ksenoonil. Nelja sideme ja kahe vaba paariga on ksenoon AX₄E₂, steeriline arv 6, oktaeedriline elektronpiirkondade geomeetria.

Oktaeedris on iga asukoht samaväärne, seega võib esimene vaba paar minna kuhu tahes; teine läheb otse selle vastas, 180° kaugusele, et vähendada vaba paari ja vaba paari tõukumist. Neli fluori asuvad siis ühel tasandil 90° nurga all oma naabritest: ruuttasapinnaline. Iga Xe–F side on polaarne, kuid vastasküljel olevad sidemed osutavad täpselt vastassuundades, seega dipoolid tühistavad üksteist ja XeF₄ on mittepolaarne.

Sidemedipoolide liitmine molekuli polaarsuse leidmiseks

Side erineva elektronegatiivsusega aatomite vahel on polaarne, osalise negatiivse laenguga (δ−) elektronegatiivsemal aatomil. Igal sidemedipoolil on suurus ja suund, seega käitub see nagu vektor. Molekuli dipoolmoment on kõigi sidemedipoolide vektorsumma, mida tavaliselt esitatakse debaides (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Sidemedipoolid tühistavad üksteist, kui identsed sidemed on keskaatomi ümber sümmeetriliselt paigutatud. See juhtub AX₂ lineaarsete, AX₃ kolmnurksete tasapinnaliste, AX₄ tetraeedriliste, AX₅ kolmnurksete bipüramiidsete ja AX₆ oktaeedriliste molekulide puhul, kui kõik X aatomid on samad, ning ka AX₄E₂ ruuttasapinnaliste ja AX₂E₃ lineaarsete kujude puhul, kus vabad paarid on paigutatud sümmeetriliselt ja iga side osutab otse identse sideme vastas. Muud kuju ja asendajate kombinatsioonid jätavad üldiselt netodipooli.

Lahendatud võrdlus: vääveldioksiid ja vääveltrioksiid. SO₂ sisaldab 6 + 2(6) = 18 valentselektroni; selle Lewise struktuur paneb väävlile kaks siduvat piirkonda ja ühe vaba paari (AX₂E), seega on molekul nurgakujuline. Kaks S–O dipooli osutavad osaliselt samas suunas, nende summa ei ole null ja SO₂ on polaarne. SO₃ sisaldab 6 + 3(6) = 24 valentselektroni ja kolme siduvat piirkonda ilma vaba paarita väävlil (AX₃), seega on see kolmnurkne tasapinnaline. Kolm võrdset dipooli 120° nurga all annavad summaks nulli ja SO₃ on mittepolaarne, kuigi iga side selles on polaarne.

Levinud kuju- ja polaarsusvead

Enamik vigu tuleneb Lewise struktuuri vahelejätmisest või lehel oleva lameda joonise lugemisest nagu tegelikku kuju. Kiire rutiin püüab need kinni: joonista Lewise struktuur, loe keskaatomi piirkonnad, nimeta elektronpiirkondade geomeetria, eemalda vabad paarid, et nimetada molekuli kuju, seejärel liida sidemedipoolid kolmes mõõtmes.

Füüsiline mudel või hoolikas kiilu-ja-kriipsu visand aitab viimase sammuga. Kui saad molekuli pöörata nii, et ühel sidemedipoolil ei ole vastassuunas osutavat paarilist, on molekul polaarne. Kui igale sidemele vastab identne side vastasküljel või sümmeetriline komplekt, näiteks kolm sidet 120° nurga all, on see mittepolaarne.

• Elektronpiirkondade geomeetria nimetamine, kui küsimus küsib molekuli kuju. Vee piirkonnad on tetraeedrilised; selle kuju on nurgakujuline.
• Keskaatomi vabade paaride unustamine, mis teeb NH₃-st ekslikult kolmnurkse tasapinnalise molekuli.
• Kaksik- või kolmiksideme lugemine kahe või kolme piirkonnana.
• Järeldamine, et molekul on polaarne, sest selle sidemed on polaarsed, kontrollimata, kas dipoolid tühistavad üksteist.
• Sümmeetria hindamine lameda joonise järgi. CH₂Cl₂ näeb paberil sümmeetriline välja, kuid on tetraeedriline kahte erinevat liiki sidemetega, seega on see polaarne.
• Vabade paaride paigutamine kolmnurkse bipüramiidi aksiaalsetesse asukohtadesse, mis annab SF₄, ClF₃ ja XeF₂ jaoks vale kuju.