VSEPR-geometria és molekulapolaritás

Az elektrontartományok megszámlálása a központi atom körül

A VSEPR helyes Lewis-szerkezetből indul ki. A központi atom körül számolja meg az elektrontartományokat: minden nemkötő pár egy tartomány, és minden más atomhoz fűző kötés egy tartomány, akár egyszeres, akár kettős, akár hármas. Az összeget gyakran sztérikus számnak nevezik. A kettős kötés egyszer számít, mert elektronjai a két atom közötti tér ugyanazt a tartományát foglalják el.

A sztérikus szám rögzíti az elektrontartomány-geometriát, azt az elrendezést, amely a tartományokat a legtávolabb tartja egymástól. Két tartomány lineáris (180°), három síkháromszög (120°), négy tetraéderes (109.5°), öt trigonális bipiramis (90° és 120°), hat pedig oktaéderes (90°).

Egy rövid jelölés követi a számolást. Az AXₘEₙ jelölésben A a központi atom, m a kötött X atomok száma, n pedig a központi atom nemkötő E párjainak száma. A víz AX₂E₂: két kötött atom és két nemkötő pár, sztérikus szám 4.

Az elektrontartomány-geometria és a molekulaalak

A nemkötő párok helyet foglalnak, de nem atomok, ezért a molekulaalak nevében nem látszanak. A molekulageometria csak azt írja le, hol vannak az atomok. Ha a központi atomon nincs nemkötő pár, a két geometria azonos; ha van, eltérnek.

A trigonális bipiramisban a helyzetek nem egyenértékűek: a három egyenlítői helyzet 120°-ra van egymástól, a két tengelyi helyzet pedig 90°-ra az egyenlítőtől. A nemkötő párok először az egyenlítői helyzetekbe kerülnek, mert az egyenlítői helynek csak két szomszédja van 90°-ra, míg a tengelyi helynek három.

• 3-as sztérikus szám: AX₃ síkháromszög; AX₂E hajlott (V-alakú), 120° alatti szöggel.
• 4-es sztérikus szám: AX₄ tetraéderes; AX₃E trigonális piramis; AX₂E₂ hajlott (V-alakú), 109.5° alatti szögekkel.
• 5-ös sztérikus szám: AX₅ trigonális bipiramis; AX₄E libikóka; AX₃E₂ T-alakú; AX₂E₃ lineáris.
• 6-os sztérikus szám: AX₆ oktaéderes; AX₅E négyzetes piramis; AX₄E₂ síknégyzetes.

Miért nyomják össze a nemkötő párok a kötésszögeket

A nemkötő párt csak egyetlen atommag tartja, ezért elektronsűrűsége szélesebben terül szét a központi atom közelében, mint a kötő páré. A taszítások ezért a nemkötő pár–nemkötő pár > nemkötő pár–kötő pár > kötő pár–kötő pár sorrendet követik, és minden további nemkötő pár közelebb szorítja egymáshoz a megmaradó kötéseket.

A tetraéderes család mutatja a tendenciát. A metánban, CH₄, nemkötő pár nélkül, a H–C–H szögek 109.5°-osak. Az ammóniában, NH₃, egy nemkötő párral, a H–N–H szögek kissé kisebbek. A vízben, két nemkötő párral, a H–O–H szög 104.5°, ez az OpenStax Chemistry 2e-ben megadott érték. A többszörös kötések hasonló, kisebb hatást fejtenek ki, mert a kettős kötés több elektronsűrűséget tart, mint az egyszeres.

A VSEPR megbízhatóan megjósolja ezeknek az eltéréseknek az irányát, de pontos nagyságukat nem. Ha a kérdés egy nemkötő párokat tartalmazó molekula szögét kérdezi, válaszoljon „valamivel kisebb”, mint az ideális érték, hacsak nincsenek mért adatai.

Megoldott példák: klór-trifluorid és xenon-tetrafluorid

Klór-trifluorid, ClF₃. Vegyértékelektronok: 7 + 3(7) = 28. Három Cl–F egyszeres kötés 6 elektront használ, a három fluor oktettjének kiegészítése 3 × 6 = 18-at, összesen 24-et. A megmaradó 4 elektron két nemkötő párként a klórra kerül. A klórnak három kötése és két nemkötő párja van, így AX₃E₂, sztérikus száma 5, elektrontartomány-geometriája trigonális bipiramis.

Mindkét nemkötő pár egyenlítői helyzetet foglal el. Így egy fluor az egyenlítői síkban, kettő pedig a tengelyi helyzetekben marad, és az atomok T alakot alkotnak. A nemkötő párok a tengelyi fluorokat az egyenlítői felé tolják, így az F–Cl–F szögek valamivel 90° alattiak. A három Cl–F kötésdipólus T alakban nem oltja ki egymást, ezért a ClF₃ poláris.

Xenon-tetrafluorid, XeF₄. Vegyértékelektronok: 8 + 4(7) = 36. Négy Xe–F kötés 8 elektront használ, a fluor nemkötő párjai 4 × 6 = 24-et, összesen 32-t. A megmaradó 4 elektron két nemkötő pár a xenonon. Négy kötéssel és két nemkötő párral a xenon AX₄E₂, sztérikus szám 6, oktaéderes elektrontartomány-geometria.

Az oktaéderben minden helyzet egyenértékű, így az első nemkötő pár bárhová kerülhet; a második közvetlenül vele szemben, 180°-ra helyezkedik el, hogy a nemkötő pár–nemkötő pár taszítás minimális legyen. A négy fluor ekkor egy síkban fekszik, szomszédaitól 90°-ra: síknégyzetes. Minden Xe–F kötés poláris, de a szemközti kötések pontosan ellentétes irányba mutatnak, így a dipólusok kioltják egymást, és az XeF₄ apoláris.

A kötésdipólusok összeadása a molekulapolaritás megállapításához

A különböző elektronegativitású atomok közötti kötés poláris, az elektronegatívabb atomon részleges negatív töltéssel (δ−). Minden kötésdipólusnak van nagysága és iránya, így vektorként viselkedik. A molekuláris dipólusmomentum az összes kötésdipólus vektori összege, amelyet általában debye-ban adnak meg (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

A kötésdipólusok kioltják egymást, ha azonos kötések szimmetrikusan helyezkednek el a központi atom körül. Ez az AX₂ lineáris, AX₃ síkháromszög, AX₄ tetraéderes, AX₅ trigonális bipiramis és AX₆ oktaéderes molekuláknál áll fenn, ha minden X atom azonos, valamint az AX₄E₂ síknégyzetes és AX₂E₃ lineáris alakoknál is, ahol a nemkötő párok szimmetrikusan helyezkednek el, és minden kötéssel szemben egy azonos kötés áll. Az alak és a szubsztituensek más kombinációi általában nettó dipólust hagynak.

Megoldott összehasonlítás: kén-dioxid és kén-trioxid. Az SO₂ 6 + 2(6) = 18 vegyértékelektront tartalmaz; Lewis-szerkezete két kötőtartományt és egy nemkötő párt helyez a kénre (AX₂E), így a molekula hajlott. A két S–O dipólus részben azonos irányba mutat, összegük nem nulla, és az SO₂ poláris. Az SO₃ 6 + 3(6) = 24 vegyértékelektront és három kötőtartományt tartalmaz, a kénen nemkötő pár nélkül (AX₃), így síkháromszög alakú. Három egyenlő, egymástól 120°-ra álló dipólus összege nulla, és az SO₃ apoláris, noha minden kötése poláris.

Gyakori alak- és polaritáshibák

A legtöbb hiba a Lewis-szerkezet kihagyásából vagy abból ered, hogy az oldalon lévő lapos rajzot valódi alaknak olvassák. Egy gyors rutin kiszűri őket: rajzolja fel a Lewis-szerkezetet, számolja meg a tartományokat a központi atomon, nevezze meg az elektrontartomány-geometriát, a nemkötő párok elhagyásával nevezze meg a molekulaalakot, majd adja össze a kötésdipólusokat három dimenzióban.

Fizikai modell vagy gondos ék–szaggatott vonalas vázlat segít az utolsó lépésben. Ha el tudja forgatni a molekulát úgy, hogy az egyik kötésdipólusnak nincs ellentétes irányba mutató párja, a molekula poláris. Ha minden kötéssel szemben azonos kötés áll a másik oldalon, vagy egy szimmetrikus készlet, például három, 120°-os kötés, akkor apoláris.

• Az elektrontartomány-geometria megnevezése, amikor a kérdés a molekulaalakot kérdezi. A víz tartományai tetraéderesek; alakja hajlott.
• A központi atom nemkötő párjainak elfelejtése, ami az NH₃-at tévesen síkháromszög alakú molekulává teszi.
• A kettős vagy hármas kötés két vagy három tartományként való számolása.
• Annak megállapítása, hogy a molekula poláris, mert a kötései polárisak, anélkül hogy ellenőrizné, kioltják-e egymást a dipólusok.
• A szimmetria megítélése lapos rajzból. A CH₂Cl₂ papíron szimmetrikusnak látszik, de tetraéderes, kétféle kötéssel, ezért poláris.
• A nemkötő párok elhelyezése a trigonális bipiramis tengelyi helyzeteibe, ami rossz alakot ad az SF₄, a ClF₃ és az XeF₂ esetében.