Geometri VSEPR dan Kepolaran Molekul

Menghitung domain elektron di sekitar atom pusat

VSEPR dimulai dari struktur Lewis yang benar. Di sekitar atom pusat, hitung domain elektron: setiap pasangan elektron bebas adalah satu domain, dan setiap ikatan ke atom lain adalah satu domain baik tunggal, rangkap dua, maupun rangkap tiga. Totalnya sering disebut bilangan sterik. Ikatan rangkap dua dihitung sekali karena elektronnya menempati daerah ruang yang sama di antara dua atom.

Bilangan sterik menetapkan geometri domain elektron, yaitu susunan yang menjaga domain sejauh mungkin satu sama lain. Dua domain berbentuk linear (180°), tiga berbentuk segitiga datar (120°), empat berbentuk tetrahedral (109.5°), lima berbentuk bipiramida trigonal (90° dan 120°), dan enam berbentuk oktahedral (90°).

Label singkat membantu mencatat hitungan itu. Dalam notasi AXₘEₙ, A adalah atom pusat, m adalah jumlah atom terikat X, dan n adalah jumlah pasangan elektron bebas E pada atom pusat. Air adalah AX₂E₂: dua atom terikat dan dua pasangan elektron bebas, bilangan sterik 4.

Geometri domain elektron versus bentuk molekul

Pasangan elektron bebas menempati ruang, tetapi bukan atom, sehingga tidak terlihat dalam nama bentuk molekul. Geometri molekul hanya menggambarkan di mana atom-atom berada. Ketika tidak ada pasangan elektron bebas pada atom pusat, kedua geometri itu sama; ketika ada pasangan elektron bebas, keduanya berbeda.

Dalam bipiramida trigonal, posisinya tidak setara: tiga posisi ekuatorial berjarak 120° satu sama lain dan dua posisi aksial membentuk 90° dari ekuator. Pasangan elektron bebas menempati posisi ekuatorial lebih dahulu, karena tempat ekuatorial hanya memiliki dua tetangga pada 90° sedangkan tempat aksial memiliki tiga.

• Bilangan sterik 3: AX₃ segitiga datar; AX₂E bengkok, sudut di bawah 120°.
• Bilangan sterik 4: AX₄ tetrahedral; AX₃E piramida trigonal; AX₂E₂ bengkok, sudut di bawah 109.5°.
• Bilangan sterik 5: AX₅ bipiramida trigonal; AX₄E jungkat-jungkit; AX₃E₂ bentuk T; AX₂E₃ linear.
• Bilangan sterik 6: AX₆ oktahedral; AX₅E piramida segiempat; AX₄E₂ segiempat datar.

Mengapa pasangan elektron bebas menekan sudut ikatan

Pasangan elektron bebas ditahan oleh hanya satu inti, sehingga rapatan elektronnya menyebar lebih lebar di dekat atom pusat daripada pasangan elektron ikatan. Tolakan karena itu mengikuti urutan pasangan bebas–pasangan bebas > pasangan bebas–pasangan ikatan > pasangan ikatan–pasangan ikatan, dan setiap pasangan bebas tambahan menekan ikatan yang tersisa agar lebih berdekatan.

Keluarga tetrahedral menunjukkan kecenderungan ini. Metana, CH₄, tanpa pasangan elektron bebas, memiliki sudut H–C–H 109.5°. Amonia, NH₃, dengan satu pasangan elektron bebas, memiliki sudut H–N–H yang sedikit lebih kecil. Air, dengan dua pasangan elektron bebas, memiliki sudut H–O–H 104.5°, nilai yang diberikan dalam OpenStax Chemistry 2e. Ikatan rangkap memiliki efek serupa yang lebih kecil, karena ikatan rangkap dua menampung rapatan elektron lebih banyak daripada ikatan tunggal.

VSEPR memprediksi arah penyimpangan ini dengan andal, tetapi tidak besarnya yang tepat. Ketika soal menanyakan sudut dalam molekul dengan pasangan elektron bebas, jawablah “sedikit kurang dari” nilai idealnya kecuali Anda memiliki data terukur.

Contoh soal: klorin trifluorida dan xenon tetrafluorida

Klorin trifluorida, ClF₃. Elektron valensi: 7 + 3(7) = 28. Tiga ikatan tunggal Cl–F menggunakan 6 elektron, dan melengkapi tiga oktet fluorin menggunakan 3 × 6 = 18, sehingga 24. Sisa 4 elektron ditempatkan pada klorin sebagai dua pasangan elektron bebas. Klorin memiliki tiga ikatan dan dua pasangan elektron bebas, sehingga berjenis AX₃E₂ dengan bilangan sterik 5 dan geometri domain elektron bipiramida trigonal.

Kedua pasangan elektron bebas menempati posisi ekuatorial. Itu menyisakan satu fluorin di bidang ekuatorial dan dua di posisi aksial, sehingga atom-atom membentuk bentuk T. Pasangan elektron bebas mendorong fluorin aksial ke arah fluorin ekuatorial, sehingga sudut F–Cl–F sedikit kurang dari 90°. Ketiga dipol ikatan Cl–F tidak saling meniadakan dalam bentuk T, sehingga ClF₃ bersifat polar.

Xenon tetrafluorida, XeF₄. Elektron valensi: 8 + 4(7) = 36. Empat ikatan Xe–F menggunakan 8 elektron dan pasangan elektron bebas fluorin menggunakan 4 × 6 = 24, sehingga 32. Sisa 4 elektron adalah dua pasangan elektron bebas pada xenon. Dengan empat ikatan dan dua pasangan elektron bebas, xenon berjenis AX₄E₂, bilangan sterik 6, geometri domain elektron oktahedral.

Dalam oktahedron setiap posisi setara, sehingga pasangan elektron bebas pertama dapat ditempatkan di mana saja; yang kedua ditempatkan tepat berlawanan dengannya, berjarak 180°, untuk meminimalkan tolakan pasangan bebas–pasangan bebas. Keempat fluorin kemudian terletak dalam satu bidang pada 90° terhadap tetangganya: segiempat datar. Setiap ikatan Xe–F bersifat polar, tetapi ikatan yang berseberangan menunjuk ke arah yang persis berlawanan, sehingga dipolnya saling meniadakan dan XeF₄ bersifat nonpolar.

Menjumlahkan dipol ikatan untuk menentukan kepolaran molekul

Ikatan antara atom dengan keelektronegatifan berbeda bersifat polar, dengan muatan parsial negatif (δ−) pada atom yang lebih elektronegatif. Setiap dipol ikatan memiliki besar dan arah, sehingga berperilaku seperti vektor. Momen dipol molekul adalah jumlah vektor semua dipol ikatan, biasanya dilaporkan dalam debye (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dipol ikatan saling meniadakan ketika ikatan identik tersusun simetris di sekitar atom pusat. Hal itu terjadi pada molekul AX₂ linear, AX₃ segitiga datar, AX₄ tetrahedral, AX₅ bipiramida trigonal, dan AX₆ oktahedral ketika semua atom X sama, dan juga pada bentuk AX₄E₂ segiempat datar dan AX₂E₃ linear, ketika pasangan elektron bebas tersusun simetris dan setiap ikatan menunjuk tepat berlawanan dengan ikatan yang identik. Kombinasi bentuk dan substituen lainnya umumnya menyisakan dipol bersih.

Perbandingan contoh: belerang dioksida dan belerang trioksida. SO₂ memiliki 6 + 2(6) = 18 elektron valensi; struktur Lewis-nya menempatkan dua domain ikatan dan satu pasangan elektron bebas pada belerang (AX₂E), sehingga molekulnya bengkok. Kedua dipol S–O sebagian menunjuk ke arah yang sama, jumlahnya tidak nol, dan SO₂ bersifat polar. SO₃ memiliki 6 + 3(6) = 24 elektron valensi dan tiga domain ikatan tanpa pasangan elektron bebas pada belerang (AX₃), sehingga berbentuk segitiga datar. Tiga dipol yang sama besar dengan jarak 120° berjumlah nol, dan SO₃ bersifat nonpolar meskipun setiap ikatan di dalamnya polar.

Kesalahan umum tentang bentuk dan kepolaran

Sebagian besar kesalahan berasal dari melewatkan struktur Lewis atau dari membaca gambar datar di halaman seolah-olah itu bentuk sebenarnya. Rutinitas singkat menangkapnya: gambar struktur Lewis, hitung domain pada atom pusat, namai geometri domain elektron, hilangkan pasangan elektron bebas untuk menamai bentuk molekul, lalu jumlahkan dipol ikatan dalam tiga dimensi.

Model fisik atau sketsa baji-dan-garis putus yang cermat membantu langkah terakhir. Jika Anda dapat memutar molekul sehingga satu dipol ikatan tidak memiliki pasangan yang menunjuk ke arah berlawanan, molekul itu polar. Jika setiap ikatan dipasangkan dengan ikatan identik di sisi seberang, atau dengan himpunan simetris seperti tiga ikatan pada 120°, molekul itu nonpolar.

• Menamai geometri domain elektron ketika soal menanyakan bentuk molekul. Domain air berbentuk tetrahedral; bentuknya bengkok.
• Melupakan pasangan elektron bebas pada atom pusat, yang secara keliru mengubah NH₃ menjadi molekul segitiga datar.
• Menghitung ikatan rangkap dua atau rangkap tiga sebagai dua atau tiga domain.
• Menyimpulkan bahwa molekul polar karena ikatannya polar, tanpa memeriksa apakah dipolnya saling meniadakan.
• Menilai simetri dari gambar datar. CH₂Cl₂ tampak simetris di atas kertas tetapi berbentuk tetrahedral dengan dua jenis ikatan yang berbeda, sehingga polar.
• Menempatkan pasangan elektron bebas pada posisi aksial bipiramida trigonal, yang memberikan bentuk yang salah untuk SF₄, ClF₃, dan XeF₂.