Geometry ng VSEPR at Polarity ng Molecule

Pagbibilang ng mga electron domain sa paligid ng sentral na atom

Nagsisimula ang VSEPR sa tamang Lewis structure. Sa paligid ng sentral na atom, bilangin ang mga electron domain: ang bawat lone pair ay isang domain, at ang bawat bond sa ibang atom ay isang domain kahit single, double, o triple. Madalas na tinatawag na steric number ang kabuuan. Isang beses lang binibilang ang double bond dahil ang mga electron nito ay sumasakop sa iisang rehiyon ng espasyo sa pagitan ng dalawang atom.

Itinatakda ng steric number ang electron-domain geometry, ang ayos na nagpapanatili sa mga domain na pinakamalayo sa isa't isa. Ang dalawang domain ay linear (180°), ang tatlo ay trigonal planar (120°), ang apat ay tetrahedral (109.5°), ang lima ay trigonal bipyramidal (90° at 120°), at ang anim ay octahedral (90°).

Sinusubaybayan ng maikling label ang bilang. Sa notasyong AXₘEₙ, ang A ay ang sentral na atom, ang m ay ang bilang ng mga nakabond na atom na X, at ang n ay ang bilang ng mga lone pair na E sa sentral na atom. Ang tubig ay AX₂E₂: dalawang nakabond na atom at dalawang lone pair, steric number 4.

Electron-domain geometry laban sa hugis ng molecule

Sumasakop ng espasyo ang mga lone pair, ngunit hindi sila mga atom, kaya hindi sila nakikita sa pangalan ng hugis ng molecule. Inilalarawan lang ng molecular geometry kung nasaan ang mga atom. Kapag walang lone pair sa sentral na atom, pareho ang dalawang geometry; kapag may lone pair, magkaiba ang mga ito.

Sa trigonal bipyramid, hindi magkatumbas ang mga posisyon: ang tatlong equatorial na posisyon ay 120° ang pagitan at ang dalawang axial na posisyon ay 90° mula sa ekwador. Unang pumupunta ang mga lone pair sa mga equatorial na posisyon, dahil ang equatorial na lugar ay may dalawang kapitbahay lang sa 90° habang ang axial na lugar ay may tatlo.

• Steric number 3: AX₃ trigonal planar; AX₂E bent, anggulo na mas mababa sa 120°.
• Steric number 4: AX₄ tetrahedral; AX₃E trigonal pyramidal; AX₂E₂ bent, mga anggulo na mas mababa sa 109.5°.
• Steric number 5: AX₅ trigonal bipyramidal; AX₄E seesaw; AX₃E₂ T-shaped; AX₂E₃ linear.
• Steric number 6: AX₆ octahedral; AX₅E square pyramidal; AX₄E₂ square planar.

Bakit pinipiga ng mga lone pair ang mga anggulo ng bond

Isang nucleus lang ang humahawak sa lone pair, kaya mas malawak ang pagkalat ng electron density nito malapit sa sentral na atom kaysa sa bonding pair. Kaya ang mga pagtataboy ay sumusunod sa pagkakasunod na lone pair–lone pair > lone pair–bonding pair > bonding pair–bonding pair, at ang bawat dagdag na lone pair ay pumipiga sa natitirang mga bond nang mas magkakalapit.

Ipinapakita ng pamilyang tetrahedral ang trend. Ang methane, CH₄, na walang lone pair, ay may mga anggulong H–C–H na 109.5°. Ang ammonia, NH₃, na may isang lone pair, ay may mga anggulong H–N–H na bahagyang mas maliit. Ang tubig, na may dalawang lone pair, ay may anggulong H–O–H na 104.5°, ang halagang ibinigay sa OpenStax Chemistry 2e. May kahawig ngunit mas maliit na epekto ang mga multiple bond, dahil mas maraming electron density ang hawak ng double bond kaysa sa single bond.

Maaasahang hinuhulaan ng VSEPR ang direksyon ng mga paglihis na ito, ngunit hindi ang eksaktong laki. Kapag humingi ang tanong ng anggulo sa isang molecule na may mga lone pair, sagutin ang "bahagyang mas mababa kaysa" sa ideyal na halaga maliban kung may sinukat kang datos.

Mga halimbawang may solusyon: chlorine trifluoride at xenon tetrafluoride

Chlorine trifluoride, ClF₃. Mga valence electron: 7 + 3(7) = 28. Ang tatlong single bond ng Cl–F ay gumagamit ng 6 na electron, at ang pagkumpleto sa tatlong octet ng fluorine ay gumagamit ng 3 × 6 = 18, kaya 24. Ang natitirang 4 na electron ay napupunta sa chlorine bilang dalawang lone pair. Ang chlorine ay may tatlong bond at dalawang lone pair, kaya AX₃E₂ ito na may steric number na 5 at trigonal bipyramidal na electron-domain geometry.

Parehong sumasakop ang dalawang lone pair sa mga equatorial na posisyon. Nag-iiwan ito ng isang fluorine sa equatorial plane at dalawa sa mga axial na posisyon, kaya bumubuo ang mga atom ng hugis T. Itinutulak ng mga lone pair ang mga axial na fluorine papunta sa equatorial, kaya bahagyang mas mababa sa 90° ang mga anggulong F–Cl–F. Hindi nagkakansela ang tatlong bond dipole ng Cl–F sa hugis T, kaya polar ang ClF₃.

Xenon tetrafluoride, XeF₄. Mga valence electron: 8 + 4(7) = 36. Ang apat na bond ng Xe–F ay gumagamit ng 8 electron at ang mga lone pair ng fluorine ay gumagamit ng 4 × 6 = 24, kaya 32. Ang natitirang 4 na electron ay dalawang lone pair sa xenon. Sa apat na bond at dalawang lone pair, AX₄E₂ ang xenon, steric number 6, octahedral na electron-domain geometry.

Sa isang octahedron, magkatumbas ang bawat posisyon, kaya maaaring pumunta kahit saan ang unang lone pair; ang ikalawa ay napupunta nang direktang kabaligtaran nito, 180° ang layo, para mabawasan ang pagtataboy ng lone pair–lone pair. Ang apat na fluorine ay nasa isang plane na 90° ang pagitan sa kapitbahay nila: square planar. Polar ang bawat bond ng Xe–F, ngunit ang magkabilang bond ay nakaturo sa eksaktong magkasalungat na direksyon, kaya nagkakansela ang mga dipole at nonpolar ang XeF₄.

Pagsasama ng mga bond dipole para mahanap ang polarity ng molecule

Polar ang bond sa pagitan ng mga atom na magkaiba ang electronegativity, na may bahagyang negatibong karga (δ−) sa mas electronegative na atom. May laki at direksyon ang bawat bond dipole, kaya kumikilos ito na parang vector. Ang molecular dipole moment ay ang vector sum ng lahat ng bond dipole, karaniwang iniuulat sa debye (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Nagkakansela ang mga bond dipole kapag simetriko ang pagkakaayos ng magkakaparehong bond sa paligid ng sentral na atom. Nangyayari iyon sa mga molecule na AX₂ linear, AX₃ trigonal planar, AX₄ tetrahedral, AX₅ trigonal bipyramidal, at AX₆ octahedral kapag pareho ang lahat ng atom na X, at gayundin sa mga hugis na AX₄E₂ square planar at AX₂E₃ linear, kung saan simetriko ang ayos ng mga lone pair at ang bawat bond ay nakaturo nang direktang kabaligtaran ng magkaparehong bond. Ang ibang kombinasyon ng hugis at substituent ay karaniwang nag-iiwan ng net dipole.

Halimbawang paghahambing: sulfur dioxide at sulfur trioxide. Ang SO₂ ay may 6 + 2(6) = 18 valence electron; inilalagay ng Lewis structure nito ang dalawang bonding domain at isang lone pair sa sulfur (AX₂E), kaya bent ang molecule. Ang dalawang dipole ng S–O ay bahagyang nakaturo sa parehong direksyon, hindi zero ang kabuuan nila, at polar ang SO₂. Ang SO₃ ay may 6 + 3(6) = 24 valence electron at tatlong bonding domain na walang lone pair sa sulfur (AX₃), kaya trigonal planar ito. Ang tatlong magkapantay na dipole na 120° ang pagitan ay nagsasama sa zero, at nonpolar ang SO₃ kahit polar ang bawat bond nito.

Karaniwang pagkakamali sa hugis at polarity

Karamihan sa mga error ay galing sa paglaktaw sa Lewis structure o sa pagbasa sa patag na guhit sa pahina na parang ito ang totoong hugis. Nahuhuli ng mabilis na pamamaraan ang mga ito: iguhit ang Lewis structure, bilangin ang mga domain sa sentral na atom, pangalanan ang electron-domain geometry, alisin ang mga lone pair para pangalanan ang hugis ng molecule, saka isama ang mga bond dipole sa tatlong dimensyon.

Nakakatulong ang pisikal na modelo o maingat na sketch na may wedge at dash sa huling hakbang. Kung maiikot mo ang molecule nang may isang bond dipole na walang katambal na nakaturo sa kabilang direksyon, polar ang molecule. Kung ang bawat bond ay may katapat na magkaparehong bond sa kabilang panig, o simetrikong hanay tulad ng tatlong bond sa 120°, nonpolar ito.

• Pagpapangalan sa electron-domain geometry kapag hugis ng molecule ang hinihingi ng tanong. Tetrahedral ang mga domain ng tubig; bent ang hugis nito.
• Pagkalimot sa mga lone pair sa sentral na atom, na nagiging sanhi ng maling pag-aakalang trigonal planar ang NH₃.
• Pagbibilang sa double o triple bond bilang dalawa o tatlong domain.
• Pagtatapos na polar ang molecule dahil polar ang mga bond nito, nang hindi sinusuri kung nagkakansela ang mga dipole.
• Paghusga sa simetriya mula sa patag na guhit. Mukhang simetriko ang CH₂Cl₂ sa papel ngunit tetrahedral ito na may dalawang magkaibang uri ng bond, kaya polar ito.
• Paglalagay ng mga lone pair sa mga axial na posisyon ng trigonal bipyramid, na nagbibigay ng maling hugis para sa SF₄, ClF₃, at XeF₂.