VSEPR-lögun og skautun sameinda

Rafeindasvæði talin í kringum miðatóm

VSEPR byrjar á réttri Lewis-formúlu. Í kringum miðatómið skaltu telja rafeindasvæðin: hvert einstætt par er eitt svæði og hvert tengi við annað atóm er eitt svæði hvort sem það er einfalt, tvöfalt eða þrefalt. Heildin er oft kölluð rúmtala (steric number). Tvítengi telst einu sinni því rafeindir þess taka sama svæði í rúminu á milli atómanna tveggja.

Rúmtalan ákvarðar lögun rafeindasvæðanna, uppröðunina sem heldur svæðunum sem lengst frá hvert öðru. Tvö svæði eru línuleg (180°), þrjú eru þríhyrnd slétt (120°), fjögur eru fjórflötungur (109.5°), fimm eru þríhyrnd tvípýramída (90° og 120°) og sex eru áttflötungur (90°).

Stutt merking heldur utan um talninguna. Í AXₘEₙ-ritháttinum er A miðatómið, m er fjöldi tengdra atóma X og n er fjöldi einstæðra para E á miðatóminu. Vatn er AX₂E₂: tvö tengd atóm og tvö einstæð pör, rúmtala 4.

Lögun rafeindasvæða á móti lögun sameindar

Einstæð pör taka pláss en þau eru ekki atóm, svo þau sjást ekki í nafni sameindarlögunarinnar. Lögun sameindarinnar lýsir aðeins hvar atómin sitja. Þegar engin einstæð pör eru á miðatóminu eru lögunirnar tvær hinar sömu; þegar einstæð pör eru til staðar eru þær ólíkar.

Í þríhyrndum tvípýramída eru stöðurnar ekki jafngildar: stöðurnar þrjár á miðbaugnum eru 120° frá hver annarri og stöðurnar tvær á ásnum eru 90° frá miðbaugnum. Einstæð pör fara fyrst á miðbaugsstöður, því miðbaugsstaður hefur aðeins tvo nágranna í 90° en ásstaður hefur þrjá.

• Rúmtala 3: AX₃ þríhyrnd slétt; AX₂E bogin, horn undir 120°.
• Rúmtala 4: AX₄ fjórflötungur; AX₃E þríhyrnd pýramída; AX₂E₂ bogin, horn undir 109.5°.
• Rúmtala 5: AX₅ þríhyrndur tvípýramídi; AX₄E vippa; AX₃E₂ T-laga; AX₂E₃ línuleg.
• Rúmtala 6: AX₆ áttflötungur; AX₅E ferningspýramídi; AX₄E₂ ferningslaga slétt.

Hvers vegna einstæð pör þjappa saman bindihornum

Einstætt par er haldið af aðeins einum kjarna, svo rafeindaþéttleiki þess dreifist víðar nálægt miðatóminu en hjá tengipari. Fráhrinding fylgir því röðinni einstætt par–einstætt par > einstætt par–tengipar > tengipar–tengipar, og hvert einstætt par sem bætist við þrýstir hinum tengjunum þéttar saman.

Fjórflötungafjölskyldan sýnir þróunina. Metan, CH₄, án einstæðra para, hefur H–C–H horn upp á 109.5°. Ammóníak, NH₃, með eitt einstætt par, hefur H–N–H horn örlítið minni. Vatn, með tvö einstæð pör, hefur H–O–H horn upp á 104.5°, gildið sem OpenStax Chemistry 2e gefur. Margföld tengi hafa svipuð, minni áhrif, því tvítengi geymir meiri rafeindaþéttleika en einfalt tengi.

VSEPR spáir áreiðanlega fyrir um stefnu þessara frávika en ekki nákvæma stærð þeirra. Þegar spurning biður um horn í sameind með einstæðum pörum skaltu svara „örlítið minna en“ kjörgildið nema þú hafir mæld gögn.

Útreiknuð dæmi: klórtríflúoríð og xenontetraflúoríð

Klórtríflúoríð, ClF₃. Gildisrafeindir: 7 + 3(7) = 28. Þrjú einföld Cl–F tengi nota 6 rafeindir og að fylla áttundir flúoratómanna þriggja notar 3 × 6 = 18, alls 24. Rafeindirnar 4 sem eftir eru fara á klór sem tvö einstæð pör. Klór hefur þrjú tengi og tvö einstæð pör, svo það er AX₃E₂ með rúmtölu 5 og rafeindasvæðalögun þríhyrnds tvípýramída.

Bæði einstæðu pörin taka miðbaugsstöður. Það skilur eftir eitt flúor í miðbaugsfletinum og tvö í ásstöðum, svo atómin mynda T-lögun. Einstæðu pörin ýta ásflúorunum í átt að miðbaugsflúorinu, svo F–Cl–F hornin eru örlítið minni en 90°. Cl–F tengitvískautin þrjú jafnast ekki út í T-lögun, svo ClF₃ er skautað.

Xenontetraflúoríð, XeF₄. Gildisrafeindir: 8 + 4(7) = 36. Fjögur Xe–F tengi nota 8 rafeindir og einstæðu pör flúorsins nota 4 × 6 = 24, alls 32. Rafeindirnar 4 sem eftir eru eru tvö einstæð pör á xenon. Með fjögur tengi og tvö einstæð pör er xenon AX₄E₂, rúmtala 6, rafeindasvæðalögun áttflötungs.

Í áttflötungi eru allar stöður jafngildar, svo fyrsta einstæða parið getur farið hvert sem er; það seinna fer beint á móti því, 180° frá, til að lágmarka fráhrindingu einstætt par–einstætt par. Flúoratómin fjögur liggja þá í einum fleti í 90° frá nágrönnum sínum: ferningslaga slétt. Hvert Xe–F tengi er skautað, en tengi á móti hvert öðru vísa í nákvæmlega gagnstæðar áttir, svo tvískautin jafnast út og XeF₄ er óskautað.

Tengitvískaut lögð saman til að finna skautun sameindar

Tengi milli atóma með ólíka rafneikvæðni er skautað, með hlutaneikvæða hleðslu (δ−) á rafneikvæðara atóminu. Hvert tengitvískaut hefur stærð og stefnu, svo það hegðar sér eins og vigur. Tvískautsvægi sameindarinnar er vigursumma allra tengitvískautanna, yfirleitt gefið upp í debye (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Tengitvískaut jafnast út þegar eins tengi eru samhverft raðað í kringum miðatómið. Það gerist fyrir AX₂ línulegar, AX₃ þríhyrndar sléttar, AX₄ fjórflötunga, AX₅ þríhyrnda tvípýramída og AX₆ áttflötunga sameindir þegar öll X-atómin eru eins, og einnig fyrir AX₄E₂ ferningslaga sléttar og AX₂E₃ línulegar sameindir, þar sem einstæðu pörin eru samhverft raðað og hvert tengi vísar beint á móti eins tengi. Aðrar samsetningar lögunar og hliðarhópa skilja yfirleitt eftir nettó tvískaut.

Útreiknaður samanburður: brennisteinsdíoxíð og brennisteinsþríoxíð. SO₂ hefur 6 + 2(6) = 18 gildisrafeindir; Lewis-formúla þess setur tvö tengisvæði og eitt einstætt par á brennistein (AX₂E), svo sameindin er bogin. S–O tvískautin tvö vísa að hluta í sömu átt, summa þeirra er ekki núll og SO₂ er skautað. SO₃ hefur 6 + 3(6) = 24 gildisrafeindir og þrjú tengisvæði án einstæðs pars á brennisteini (AX₃), svo það er þríhyrnt slétt. Þrjú jöfn tvískaut með 120° á milli leggjast saman í núll og SO₃ er óskautað þótt hvert tengi í því sé skautað.

Algeng mistök í lögun og skautun

Flestar villur koma af því að sleppa Lewis-formúlunni eða af því að lesa flata teikningu á blaðinu eins og hún væri raunveruleg lögun. Fljótleg rútína finnur þær: teiknaðu Lewis-formúluna, teldu svæði á miðatóminu, nefndu rafeindasvæðalögunina, fjarlægðu einstæðu pörin til að nefna sameindarlögunina og leggðu síðan tengitvískautin saman í þrívídd.

Efnislíkan eða vönduð fleyg-og-strik skissa hjálpar við síðasta skrefið. Ef þú getur snúið sameindinni þannig að eitt tengitvískaut hafi engan maka sem vísar í gagnstæða átt er sameindin skautuð. Ef sérhvert tengi á sér eins tengi á gagnstæðri hlið, eða samhverft mengi eins og þrjú tengi í 120°, er hún óskautuð.

• Að nefna rafeindasvæðalögunina þegar spurt er um sameindarlögunina. Svæði vatns eru fjórflötungur; lögun þess er bogin.
• Að gleyma einstæðum pörum á miðatóminu, sem gerir NH₃ fyrir mistök að þríhyrndri sléttri sameind.
• Að telja tvítengi eða þrítengi sem tvö eða þrjú svæði.
• Að álykta að sameind sé skautuð af því að tengi hennar eru skautuð, án þess að athuga hvort tvískautin jafnast út.
• Að meta samhverfu út frá flatri teikningu. CH₂Cl₂ lítur samhverft út á pappír en er fjórflötungur með tvær ólíkar gerðir tengja, svo það er skautað.
• Að setja einstæð pör í ásstöður þríhyrnds tvípýramída, sem gefur ranga lögun fyrir SF₄, ClF₃ og XeF₂.