גיאומטריית VSEPR ופולריות מולקולרית

ספירת תחומי אלקטרונים סביב אטום מרכזי

VSEPR מתחילה ממבנה לואיס נכון. סביב האטום המרכזי, ספרו את תחומי האלקטרונים: כל זוג בודד הוא תחום אחד, וכל קשר לאטום אחר הוא תחום אחד בין אם הוא יחיד, כפול או משולש. הסך הכול נקרא לעתים קרובות המספר הסטרי. קשר כפול נספר פעם אחת כי האלקטרונים שלו תופסים את אותו אזור במרחב בין שני האטומים.

המספר הסטרי קובע את גיאומטריית תחומי האלקטרונים, הסידור ששומר על התחומים הכי רחוקים זה מזה. שני תחומים הם ליניאריים (180°), שלושה הם מישוריים משולשים (120°), ארבעה הם טטראדריים (109.5°), חמישה הם דו-פירמידה משולשת (90° ו-120°), ושישה הם אוקטהדריים (90°).

תווית קצרה עוקבת אחרי הספירה. בסימון AXₘEₙ, A הוא האטום המרכזי, m הוא מספר האטומים הקשורים X, ו-n הוא מספר הזוגות הבודדים E על האטום המרכזי. מים הם AX₂E₂: שני אטומים קשורים ושני זוגות בודדים, מספר סטרי 4.

גיאומטריית תחומי אלקטרונים לעומת צורה מולקולרית

זוגות בודדים תופסים מקום, אבל הם אינם אטומים, ולכן הם בלתי נראים בשם הצורה המולקולרית. הגיאומטריה המולקולרית מתארת רק היכן האטומים נמצאים. כשאין זוגות בודדים על האטום המרכזי, שתי הגיאומטריות זהות; כשיש זוגות בודדים, הן שונות.

בדו-פירמידה משולשת המיקומים אינם שקולים: שלושת המיקומים המשווניים נמצאים במרחק של 120° זה מזה ושני המיקומים הצירים ב-90° מהמשווה. זוגות בודדים הולכים קודם למיקומים משווניים, כי לאתר משווני יש רק שני שכנים ב-90° ולאתר צירי יש שלושה.

• מספר סטרי 3: AX₃ מישורית משולשת; AX₂E זוויתית, זווית מתחת ל-120°.
• מספר סטרי 4: AX₄ טטראדרית; AX₃E פירמידה משולשת; AX₂E₂ זוויתית, זוויות מתחת ל-109.5°.
• מספר סטרי 5: AX₅ דו-פירמידה משולשת; AX₄E נדנדה; AX₃E₂ בצורת T; AX₂E₃ ליניארית.
• מספר סטרי 6: AX₆ אוקטהדרית; AX₅E פירמידה מרובעת; AX₄E₂ מישורית מרובעת.

למה זוגות בודדים מכווצים זוויות קשר

זוג בודד מוחזק על ידי גרעין אחד בלבד, ולכן צפיפות האלקטרונים שלו מתפרשת רחב יותר ליד האטום המרכזי מאשר אצל זוג קושר. הדחיות לכן עוקבות אחר הסדר זוג בודד–זוג בודד > זוג בודד–זוג קושר > זוג קושר–זוג קושר, וכל זוג בודד נוסף מצמצם את הקשרים הנותרים קרוב יותר זה לזה.

משפחת הטטראדר מראה את המגמה. למתאן, CH₄, ללא זוגות בודדים, יש זוויות H–C–H של 109.5°. לאמוניה, NH₃, עם זוג בודד אחד, יש זוויות H–N–H קטנות מעט יותר. למים, עם שני זוגות בודדים, יש זווית H–O–H של 104.5°, הערך שנתון ב-OpenStax Chemistry 2e. לקשרים מרובים יש השפעה דומה, קטנה יותר, כי קשר כפול מחזיק יותר צפיפות אלקטרונית מקשר יחיד.

VSEPR מנבאת באופן אמין את כיוון הסטיות האלה, אך לא את גודלן המדויק. כששאלה מבקשת זווית במולקולה עם זוגות בודדים, ענו "מעט פחות מ" הערך האידיאלי, אלא אם יש לכם נתונים שנמדדו.

דוגמאות פתורות: כלור טריפלואוריד וקסנון טטרהפלואוריד

כלור טריפלואוריד, ClF₃. אלקטרוני ערכיות: 7 + 3(7) = 28. שלושה קשרים יחידים Cl–F משתמשים ב-6 אלקטרונים, והשלמת שלושת אוקטטי הפלואור משתמשת ב-3 × 6 = 18, ובסך הכול 24. 4 האלקטרונים הנותרים הולכים על הכלור כשני זוגות בודדים. לכלור יש שלושה קשרים ושני זוגות בודדים, ולכן הוא AX₃E₂ עם מספר סטרי 5 וגיאומטריית תחומי אלקטרונים של דו-פירמידה משולשת.

שני הזוגות הבודדים תופסים מיקומים משווניים. כך נשאר פלואור אחד במישור המשווני ושניים במיקומים הצירים, ולכן האטומים יוצרים צורת T. הזוגות הבודדים דוחפים את הפלואורים הצירים לעבר המשווני, ולכן זוויות F–Cl–F קטנות מעט מ-90°. שלושת דיפולי הקשר Cl–F אינם מתבטלים בצורת T, ולכן ClF₃ קוטבי.

קסנון טטרהפלואוריד, XeF₄. אלקטרוני ערכיות: 8 + 4(7) = 36. ארבעה קשרי Xe–F משתמשים ב-8 אלקטרונים והזוגות הבודדים של הפלואור משתמשים ב-4 × 6 = 24, ובסך הכול 32. 4 האלקטרונים הנותרים הם שני זוגות בודדים על הקסנון. עם ארבעה קשרים ושני זוגות בודדים, קסנון הוא AX₄E₂, מספר סטרי 6, גיאומטריית תחומי אלקטרונים אוקטהדרית.

באוקטהדר כל המיקומים שקולים, ולכן הזוג הבודד הראשון יכול ללכת לכל מקום; השני הולך ישירות מולו, במרחק 180°, כדי למזער דחייה בין זוגות בודדים. ארבעת הפלואורים שוכנים אז במישור אחד ב-90° משכניהם: מישורית מרובעת. כל קשר Xe–F קוטבי, אבל קשרים מנוגדים מצביעים בכיוונים מנוגדים בדיוק, ולכן הדיפולים מתבטלים ו-XeF₄ אינו קוטבי.

חיבור דיפולי קשר כדי למצוא פולריות מולקולרית

קשר בין אטומים בעלי אלקטרושליליות שונה הוא קוטבי, עם מטען חלקי שלילי (δ−) על האטום האלקטרושלילי יותר. לכל דיפול קשר יש גודל וכיוון, ולכן הוא מתנהג כמו וקטור. מומנט הדיפול המולקולרי הוא הסכום הווקטורי של כל דיפולי הקשר, ובדרך כלל מדווח בדביי (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

דיפולי קשר מתבטלים כשקשרים זהים מסודרים באופן סימטרי סביב האטום המרכזי. זה קורה במולקולות AX₂ ליניאריות, AX₃ מישוריות משולשות, AX₄ טטראדריות, AX₅ דו-פירמידה משולשת ו-AX₆ אוקטהדריות כאשר כל אטומי X זהים, וגם בצורות AX₄E₂ מישוריות מרובעות ו-AX₂E₃ ליניאריות, שבהן הזוגות הבודדים מסודרים באופן סימטרי וכל קשר מצביע ישירות מול קשר זהה. צירופים אחרים של צורה ותחליפים משאירים בדרך כלל דיפול נטו.

השוואה פתורה: גופרית דו-חמצנית וגופרית תלת-חמצנית. ל-SO₂ יש 6 + 2(6) = 18 אלקטרוני ערכיות; מבנה לואיס שלה מציב שני תחומים קושרים וזוג בודד אחד על הגופרית (AX₂E), ולכן המולקולה זוויתית. שני דיפולי S–O מצביעים חלקית לאותו כיוון, הסכום שלהם אינו אפס, ו-SO₂ קוטבית. ל-SO₃ יש 6 + 3(6) = 24 אלקטרוני ערכיות ושלושה תחומים קושרים ללא זוג בודד על הגופרית (AX₃), ולכן היא מישורית משולשת. שלושה דיפולים שווים במרחק 120° זה מזה מסתכמים באפס, ו-SO₃ אינה קוטבית אף על פי שכל קשר בה קוטבי.

טעויות נפוצות בצורה ובפולריות

רוב השגיאות נובעות מדילוג על מבנה לואיס או מקריאת הציור השטוח שעל הדף כאילו היה הצורה האמיתית. שגרה מהירה תופסת אותן: צרו את מבנה לואיס, ספרו תחומים על האטום המרכזי, תנו שם לגיאומטריית תחומי האלקטרונים, הסירו את הזוגות הבודדים כדי לתת שם לצורה המולקולרית, ואז חברו את דיפולי הקשר בתלת-ממד.

מודל פיזי או שרטוט זהיר של טריז וקו מקווקו עוזרים בשלב האחרון. אם אפשר לסובב את המולקולה כך שלדיפול קשר אחד אין בן זוג שמצביע בכיוון ההפוך, המולקולה קוטבית. אם כל קשר מותאם בקשר זהה בצד הנגדי, או בקבוצה סימטרית כמו שלושה קשרים ב-120°, היא אינה קוטבית.

• מתן שם לגיאומטריית תחומי האלקטרונים כששאלה מבקשת את הצורה המולקולרית. התחומים של מים הם טטראדריים; צורתם זוויתית.
• שכחת זוגות בודדים על האטום המרכזי, מה שהופך בטעות את NH₃ למולקולה מישורית משולשת.
• ספירת קשר כפול או משולש כשניים או שלושה תחומים.
• הסקה שמולקולה קוטבית כי הקשרים שלה קוטביים, בלי לבדוק אם הדיפולים מתבטלים.
• שיפוט סימטריה מציור שטוח. CH₂Cl₂ נראית סימטרית על הנייר אך היא טטראדרית עם שני סוגי קשרים שונים, ולכן קוטבית.
• הצבת זוגות בודדים במיקומים צירים של דו-פירמידה משולשת, מה שנותן צורה שגויה ל-SF₄, ל-ClF₃ ול-XeF₂.