VSEPR երկրաչափություն և մոլեկուլի բևեռայնություն

Կենտրոնական ատոմի շուրջ էլեկտրոնային տիրույթների հաշվարկը

VSEPR-ը սկսվում է ճիշտ Լյուիսի կառուցվածքից։ Կենտրոնական ատոմի շուրջ հաշվեք էլեկտրոնային տիրույթները. յուրաքանչյուր ազատ զույգ մեկ տիրույթ է, և մեկ այլ ատոմի հետ յուրաքանչյուր կապ մեկ տիրույթ է՝ լինի պարզ, կրկնակի թե եռակի։ Ընդհանուր քանակը հաճախ կոչվում է ստերիկ թիվ։ Կրկնակի կապը հաշվվում է մեկ անգամ, քանի որ նրա էլեկտրոնները զբաղեցնում են երկու ատոմների միջև տարածության նույն տիրույթը։

Ստերիկ թիվը որոշում է էլեկտրոնային տիրույթների երկրաչափությունը՝ դասավորությունը, որը պահում է տիրույթները ամենահեռու։ Երկու տիրույթը գծային է (180°), երեքը՝ եռանկյուն հարթ (120°), չորսը՝ քառանիստ (109.5°), հինգը՝ եռանկյուն երկբուրգային (90° և 120°), իսկ վեցը՝ ութանիստ (90°)։

Կարճ նշանը հետևում է հաշվարկին։ AXₘEₙ նշագրությամբ A-ն կենտրոնական ատոմն է, m-ը կապված X ատոմների թիվն է, իսկ n-ը՝ կենտրոնական ատոմի վրա ազատ E զույգերի թիվը։ Ջուրը AX₂E₂ է՝ երկու կապված ատոմ և երկու ազատ զույգ, ստերիկ թիվը 4։

Էլեկտրոնային տիրույթների երկրաչափություն ընդդեմ մոլեկուլի ձևի

Ազատ զույգերը տեղ են զբաղեցնում, բայց ատոմներ չեն, ուստի մոլեկուլային ձևի անվանման մեջ դրանք անտեսանելի են։ Մոլեկուլային երկրաչափությունը նկարագրում է միայն այն, թե որտեղ են գտնվում ատոմները։ Երբ կենտրոնական ատոմի վրա ազատ զույգեր չկան, երկու երկրաչափությունները նույնն են. երբ ազատ զույգեր կան, դրանք տարբերվում են։

Եռանկյուն երկբուրգում դիրքերը համարժեք չեն. երեք հասարակածային դիրքերը իրարից 120° հեռավորության վրա են, իսկ երկու առանցքային դիրքերը հասարակածից 90°-ի վրա են։ Ազատ զույգերը նախ գնում են հասարակածային դիրքեր, քանի որ հասարակածային դիրքն ունի միայն երկու հարևան 90°-ի վրա, իսկ առանցքայինը՝ երեք։

• Ստերիկ թիվ 3. AX₃ եռանկյուն հարթ; AX₂E անկյունային, անկյունը 120°-ից փոքր։
• Ստերիկ թիվ 4. AX₄ քառանիստ; AX₃E եռանկյուն բուրգային; AX₂E₂ անկյունային, անկյունները 109.5°-ից փոքր։
• Ստերիկ թիվ 5. AX₅ եռանկյուն երկբուրգային; AX₄E ճոճանակաձև; AX₃E₂ T-աձև; AX₂E₃ գծային։
• Ստերիկ թիվ 6. AX₆ ութանիստ; AX₅E քառակուսի բուրգային; AX₄E₂ քառակուսի հարթ։

Ինչու են ազատ զույգերը սեղմում կապային անկյունները

Ազատ զույգը պահվում է միայն մեկ կորիզի կողմից, ուստի նրա էլեկտրոնային խտությունը կենտրոնական ատոմի մոտ ավելի լայն է տարածվում, քան կապող զույգինը։ Այդ պատճառով վանումները հետևում են հետևյալ կարգին՝ ազատ զույգ–ազատ զույգ > ազատ զույգ–կապող զույգ > կապող զույգ–կապող զույգ, և յուրաքանչյուր ավելացած ազատ զույգ մնացած կապերը սեղմում է իրար ավելի մոտ։

Քառանիստ ընտանիքը ցույց է տալիս օրինաչափությունը։ Մեթանը՝ CH₄-ը, առանց ազատ զույգերի, ունի H–C–H անկյուններ 109.5°։ Ամոնիակը՝ NH₃-ը, մեկ ազատ զույգով, ունի մի փոքր ավելի փոքր H–N–H անկյուններ։ Ջուրը, երկու ազատ զույգով, ունի H–O–H անկյուն 104.5°, արժեք, որը տրված է OpenStax Chemistry 2e-ում։ Բազմակի կապերը նման, ավելի փոքր ազդեցություն ունեն, քանի որ կրկնակի կապը պարունակում է ավելի շատ էլեկտրոնային խտություն, քան պարզ կապը։

VSEPR-ը հուսալիորեն կանխատեսում է այս շեղումների ուղղությունը, բայց ոչ դրանց ճշգրիտ չափը։ Երբ հարցը ազատ զույգեր ունեցող մոլեկուլում անկյուն է պահանջում, պատասխանեք «մի փոքր պակաս»՝ իդեալական արժեքից, եթե չափված տվյալներ չունեք։

Լուծված օրինակներ՝ քլորի եռաֆտորիդ և քսենոնի քառաֆտորիդ

Քլորի եռաֆտորիդ, ClF₃։ Վալենտային էլեկտրոններ՝ 7 + 3(7) = 28։ Երեք Cl–F պարզ կապերը օգտագործում են 6 էլեկտրոն, իսկ երեք ֆտորի օկտետները լրացնելը օգտագործում է 3 × 6 = 18, ընդամենը 24։ Մնացած 4 էլեկտրոնները քլորի վրա երկու ազատ զույգ են։ Քլորն ունի երեք կապ և երկու ազատ զույգ, ուստի այն AX₃E₂ է՝ 5 ստերիկ թվով և եռանկյուն երկբուրգային էլեկտրոնային տիրույթների երկրաչափությամբ։

Երկու ազատ զույգերն էլ գրավում են հասարակածային դիրքեր։ Սա թողնում է մեկ ֆտոր հասարակածային հարթության մեջ և երկուսը՝ առանցքային դիրքերում, ուստի ատոմները կազմում են T ձև։ Ազատ զույգերը առանցքային ֆտորները հրում են դեպի հասարակածայինը, ուստի F–Cl–F անկյունները մի փոքր 90°-ից պակաս են։ Երեք Cl–F կապային դիպոլները T ձևում չեն փոխհատուցվում, ուստի ClF₃-ը բևեռային է։

Քսենոնի քառաֆտորիդ, XeF₄։ Վալենտային էլեկտրոններ՝ 8 + 4(7) = 36։ Չորս Xe–F կապերը օգտագործում են 8 էլեկտրոն, իսկ ֆտորի ազատ զույգերը՝ 4 × 6 = 24, ընդամենը 32։ Մնացած 4 էլեկտրոնները քսենոնի վրա երկու ազատ զույգ են։ Չորս կապով և երկու ազատ զույգով քսենոնը AX₄E₂ է, ստերիկ թիվը՝ 6, էլեկտրոնային տիրույթների երկրաչափությունը՝ ութանիստ։

Ութանիստում բոլոր դիրքերը համարժեք են, ուստի առաջին ազատ զույգը կարող է գնալ ցանկացած տեղ. երկրորդը գնում է ուղիղ դրա դիմաց՝ 180°-ով հեռու, ազատ զույգ–ազատ զույգ վանումը նվազագույնի հասցնելու համար։ Չորս ֆտորները այդ դեպքում գտնվում են մեկ հարթության մեջ՝ իրենց հարևաններից 90°-ով. քառակուսի հարթ։ Յուրաքանչյուր Xe–F կապ բևեռային է, բայց հակադիր կապերը ուղղված են ճիշտ հակառակ ուղղություններով, ուստի դիպոլները փոխհատուցվում են, և XeF₄-ը ոչ բևեռային է։

Կապային դիպոլների գումարում՝ մոլեկուլի բևեռայնությունը գտնելու համար

Տարբեր էլեկտրաբացասականությամբ ատոմների միջև կապը բևեռային է՝ ավելի էլեկտրաբացասական ատոմի վրա մասնակի բացասական լիցքով (δ−)։ Յուրաքանչյուր կապային դիպոլ ունի մեծություն և ուղղություն, ուստի վարվում է որպես վեկտոր։ Մոլեկուլային դիպոլային մոմենտը բոլոր կապային դիպոլների վեկտորային գումարն է, սովորաբար նշվում է դեբայներով (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m)։

Կապային դիպոլները փոխհատուցվում են, երբ նույնական կապերը համաչափ դասավորված են կենտրոնական ատոմի շուրջ։ Դա տեղի է ունենում AX₂ գծային, AX₃ եռանկյուն հարթ, AX₄ քառանիստ, AX₅ եռանկյուն երկբուրգային և AX₆ ութանիստ մոլեկուլների համար, երբ բոլոր X ատոմները նույնն են, ինչպես նաև AX₄E₂ քառակուսի հարթ և AX₂E₃ գծային ձևերի համար, որտեղ ազատ զույգերը համաչափ են դասավորված, և յուրաքանչյուր կապ ուղիղ հակառակ է նույնական կապին։ Ձևի և տեղակալիչների այլ համակցությունները սովորաբար թողնում են զուտ դիպոլ։

Համեմատության լուծված օրինակ՝ ծծմբի երկօքսիդ և ծծմբի եռօքսիդ։ SO₂-ն ունի 6 + 2(6) = 18 վալենտային էլեկտրոն. նրա Լյուիսի կառուցվածքը ծծմբի վրա դնում է երկու կապող տիրույթ և մեկ ազատ զույգ (AX₂E), ուստի մոլեկուլը անկյունային է։ Երկու S–O դիպոլները մասամբ ուղղված են նույն ուղղությամբ, նրանց գումարը զրո չէ, և SO₂-ը բևեռային է։ SO₃-ն ունի 6 + 3(6) = 24 վալենտային էլեկտրոն և երեք կապող տիրույթ՝ առանց ծծմբի վրա ազատ զույգի (AX₃), ուստի այն եռանկյուն հարթ է։ Երեք հավասար դիպոլներ՝ 120° հեռավորությամբ, գումարվում են զրոյի, և SO₃-ը ոչ բևեռային է, թեև նրա յուրաքանչյուր կապ բևեռային է։

Ձևի և բևեռայնության հաճախակի սխալներ

Սխալների մեծ մասը գալիս է Լյուիսի կառուցվածքը բաց թողնելուց կամ էջի հարթ գծանկարը իրական ձևի պես կարդալուց։ Արագ կանոնակարգը բռնում է դրանք՝ գծեք Լյուիսի կառուցվածքը, հաշվեք կենտրոնական ատոմի տիրույթները, անվանեք էլեկտրոնային տիրույթների երկրաչափությունը, հեռացրեք ազատ զույգերը՝ մոլեկուլային ձևն անվանելու համար, ապա գումարեք կապային դիպոլները եռաչափ տարածության մեջ։

Ֆիզիկական մոդելը կամ խնամքով կատարված սեպ-և-գծիկ ուրվագիծը օգնում է վերջին քայլի ժամանակ։ Եթե կարող եք մոլեկուլը պտտել այնպես, որ մի կապային դիպոլը չունենա հակառակ ուղղությամբ ուղղված զուգընկեր, մոլեկուլը բևեռային է։ Եթե յուրաքանչյուր կապ համընկնում է հակառակ կողմի նույնական կապի կամ համաչափ խմբի հետ, օրինակ՝ երեք կապ 120°-ով, այն ոչ բևեռային է։

• Անվանել էլեկտրոնային տիրույթների երկրաչափությունը, երբ հարցը մոլեկուլային ձևն է պահանջում։ Ջրի տիրույթները քառանիստ են, իսկ ձևը՝ անկյունային։
• Մոռանալ կենտրոնական ատոմի ազատ զույգերը, ինչը NH₃-ը սխալմամբ դարձնում է եռանկյուն հարթ մոլեկուլ։
• Կրկնակի կամ եռակի կապը հաշվել որպես երկու կամ երեք տիրույթ։
• Եզրակացնել, որ մոլեկուլը բևեռային է, քանի որ նրա կապերը բևեռային են, առանց ստուգելու՝ դիպոլները փոխհատուցվում են, թե ոչ։
• Համաչափությունը գնահատել հարթ գծանկարից։ CH₂Cl₂-ը թղթի վրա համաչափ է թվում, բայց քառանիստ է՝ երկու տարբեր տեսակի կապերով, ուստի բևեռային է։
• Ազատ զույգերը դնել եռանկյուն երկբուրգի առանցքային դիրքերում, ինչը SF₄-ի, ClF₃-ի և XeF₂-ի համար սխալ ձև է տալիս։