VSEPR geometrija i polarnost molekula

Brojenje elektronskih domena oko središnjeg atoma

VSEPR polazi od ispravne Lewisove strukture. Oko središnjeg atoma prebrojite elektronske domene: svaki slobodni par jedna je domena, a svaka veza s drugim atomom jedna je domena bez obzira je li jednostruka, dvostruka ili trostruka. Ukupni broj često se zove sterički broj. Dvostruka veza broji se jednom jer njezini elektroni zauzimaju isto područje prostora između dvaju atoma.

Sterički broj određuje geometriju elektronskih domena, raspored koji drži domene najdalje jedne od drugih. Dvije domene su linearne (180°), tri su trigonske planarne (120°), četiri su tetraedarske (109.5°), pet su trigonske bipiramidalne (90° i 120°), a šest su oktaedarske (90°).

Kratka oznaka prati brojanje. U zapisu AXₘEₙ, A je središnji atom, m je broj vezanih atoma X, a n je broj slobodnih parova E na središnjem atomu. Voda je AX₂E₂: dva vezana atoma i dva slobodna para, sterički broj 4.

Geometrija elektronskih domena nasuprot obliku molekule

Slobodni parovi zauzimaju prostor, ali nisu atomi, pa su nevidljivi u nazivu oblika molekule. Molekulska geometrija opisuje samo gdje se atomi nalaze. Kad na središnjem atomu nema slobodnih parova, dvije su geometrije iste; kad ih ima, razlikuju se.

U trigonskoj bipiramidi položaji nisu ekvivalentni: tri ekvatorijalna položaja razmaknuta su 120°, a dva aksijalna položaja su 90° od ekvatora. Slobodni parovi prvo idu na ekvatorijalne položaje, jer ekvatorijalno mjesto ima samo dva susjeda na 90°, a aksijalno tri.

• Sterički broj 3: AX₃ trigonska planarna; AX₂E kutna, kut ispod 120°.
• Sterički broj 4: AX₄ tetraedarska; AX₃E trigonska piramidalna; AX₂E₂ kutna, kutovi ispod 109.5°.
• Sterički broj 5: AX₅ trigonska bipiramidalna; AX₄E ljuljačka; AX₃E₂ T-oblik; AX₂E₃ linearna.
• Sterički broj 6: AX₆ oktaedarska; AX₅E četverostrana piramidalna; AX₄E₂ kvadratna planarna.

Zašto slobodni parovi sabijaju kutove veza

Slobodni par drži samo jedna jezgra, pa se njegova elektronska gustoća širi šire blizu središnjeg atoma nego kod veznog para. Odbijanja stoga slijede redoslijed slobodni par–slobodni par > slobodni par–vezni par > vezni par–vezni par, a svaki dodani slobodni par stišće preostale veze bliže jednu drugoj.

Tetraedarska obitelj pokazuje trend. Metan, CH₄, bez slobodnih parova, ima kutove H–C–H od 109.5°. Amonijak, NH₃, s jednim slobodnim parom, ima kutove H–N–H nešto manje. Voda, s dva slobodna para, ima kut H–O–H od 104.5°, vrijednost navedenu u OpenStax Chemistry 2e. Višestruke veze imaju sličan, manji učinak, jer dvostruka veza drži više elektronske gustoće od jednostruke.

VSEPR pouzdano predviđa smjer tih odstupanja, ali ne i njihovu točnu veličinu. Kad zadatak traži kut u molekuli sa slobodnim parovima, odgovorite „nešto manji od” idealne vrijednosti, osim ako imate izmjerene podatke.

Riješeni primjeri: klorov trifluorid i ksenonov tetrafluorid

Klorov trifluorid, ClF₃. Valentni elektroni: 7 + 3(7) = 28. Tri jednostruke veze Cl–F troše 6 elektrona, a dovršavanje triju okteta fluora troši 3 × 6 = 18, ukupno 24. Preostala 4 elektrona idu na klor kao dva slobodna para. Klor ima tri veze i dva slobodna para, pa je AX₃E₂ sa steričkim brojem 5 i trigonskom bipiramidalnom geometrijom elektronskih domena.

Oba slobodna para zauzimaju ekvatorijalne položaje. Tako jedan fluor ostaje u ekvatorijalnoj ravnini, a dva su u aksijalnim položajima, pa atomi tvore T-oblik. Slobodni parovi guraju aksijalne fluore prema ekvatorijalnom, pa su kutovi F–Cl–F nešto manji od 90°. Tri dipola veza Cl–F ne poništavaju se u T-obliku, pa je ClF₃ polaran.

Ksenonov tetrafluorid, XeF₄. Valentni elektroni: 8 + 4(7) = 36. Četiri veze Xe–F troše 8 elektrona, a slobodni parovi fluora 4 × 6 = 24, ukupno 32. Preostala 4 elektrona su dva slobodna para na ksenonu. S četiri veze i dva slobodna para, ksenon je AX₄E₂, sterički broj 6, oktaedarska geometrija elektronskih domena.

U oktaedru je svaki položaj ekvivalentan, pa prvi slobodni par može ići bilo gdje; drugi ide točno nasuprot njemu, 180° dalje, da se smanji odbijanje slobodni par–slobodni par. Četiri fluora tada leže u jednoj ravnini na 90° od svojih susjeda: kvadratna planarna. Svaka veza Xe–F je polarna, ali suprotne veze pokazuju u točno suprotnim smjerovima, pa se dipoli poništavaju i XeF₄ je nepolaran.

Zbrajanje dipola veza radi određivanja polarnosti molekule

Veza između atoma različite elektronegativnosti je polarna, s djelomičnim negativnim nabojem (δ−) na elektronegativnijem atomu. Svaki dipol veze ima veličinu i smjer, pa se ponaša kao vektor. Molekulski dipolni moment je vektorski zbroj svih dipola veza, obično izražen u debyjima (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dipoli veza poništavaju se kad su identične veze simetrično raspoređene oko središnjeg atoma. To vrijedi za linearne AX₂, trigonske planarne AX₃, tetraedarske AX₄, trigonske bipiramidalne AX₅ i oktaedarske AX₆ molekule kad su svi atomi X isti, te za kvadratne planarne oblike AX₄E₂ i linearne AX₂E₃, u kojima su slobodni parovi simetrično raspoređeni i svaka veza pokazuje točno suprotno identičnoj vezi. Druge kombinacije oblika i supstituenata općenito ostavljaju neto dipol.

Riješena usporedba: sumporov dioksid i sumporov trioksid. SO₂ ima 6 + 2(6) = 18 valentnih elektrona; njegova Lewisova struktura stavlja dvije vezne domene i jedan slobodni par na sumpor (AX₂E), pa je molekula kutna. Dva dipola S–O djelomično pokazuju u istom smjeru, njihov zbroj nije nula i SO₂ je polaran. SO₃ ima 6 + 3(6) = 24 valentna elektrona i tri vezne domene bez slobodnog para na sumporu (AX₃), pa je trigonski planaran. Tri jednaka dipola razmaknuta 120° zbrajaju se u nulu i SO₃ je nepolaran iako je svaka veza u njemu polarna.

Česte pogreške s oblikom i polarnošću

Većina pogrešaka dolazi od preskakanja Lewisove strukture ili čitanja ravnog crteža na stranici kao da je pravi oblik. Brza rutina ih hvata: nacrtajte Lewisovu strukturu, prebrojite domene na središnjem atomu, imenujte geometriju elektronskih domena, uklonite slobodne parove da imenujete molekulski oblik, a zatim zbrojite dipole veza u tri dimenzije.

Fizikalni model ili pažljiva skica s klinastim i crtkanim crtama pomaže u zadnjem koraku. Ako molekulu možete zakrenuti tako da jedan dipol veze nema partnera koji pokazuje u suprotnom smjeru, molekula je polarna. Ako je svaka veza uparena identičnom vezom na suprotnoj strani, ili simetričnim skupom poput triju veza na 120°, nepolarna je.

• Imenovanje geometrije elektronskih domena kad zadatak traži molekulski oblik. Domene vode su tetraedarske; njezin oblik je kutni.
• Zaboravljanje slobodnih parova na središnjem atomu, što NH₃ greškom pretvara u trigonsku planarnu molekulu.
• Brojenje dvostruke ili trostruke veze kao dviju ili triju domena.
• Zaključak da je molekula polarna jer su joj veze polarne, bez provjere poništavaju li se dipoli.
• Procjena simetrije iz ravnog crteža. CH₂Cl₂ na papiru izgleda simetrično, ali je tetraedarski s dvije različite vrste veza, pa je polaran.
• Smještanje slobodnih parova u aksijalne položaje trigonske bipiramide, što daje krivi oblik za SF₄, ClF₃ i XeF₂.