VSEPR გეომეტრია და მოლეკულის პოლარობა

ელექტრონული დომენების დათვლა ცენტრალური ატომის გარშემო

VSEPR სწორი ლუისის სტრუქტურიდან იწყება. ცენტრალური ატომის გარშემო დათვალეთ ელექტრონული დომენები: თითოეული გაუზიარებელი წყვილი ერთი დომენია, ხოლო სხვა ატომთან თითოეული ბმა ერთი დომენია, ერთმაგია ის, ორმაგი თუ სამმაგი. ჯამს ხშირად სტერიკულ რიცხვს უწოდებენ. ორმაგი ბმა ერთხელ ითვლება, რადგან მისი ელექტრონები ორ ატომს შორის სივრცის ერთსა და იმავე რეგიონს იკავებს.

სტერიკული რიცხვი განსაზღვრავს ელექტრონული დომენების გეომეტრიას, განლაგებას, რომელიც დომენებს ერთმანეთისგან ყველაზე შორს ინახავს. ორი დომენი წრფივია (180°), სამი ტრიგონალური ბრტყელია (120°), ოთხი ტეტრაედრულია (109.5°), ხუთი ტრიგონალური ბიპირამიდულია (90° და 120°), ექვსი კი ოქტაედრულია (90°).

მოკლე აღნიშვნა თვლას უჭერს მხარს. AXₘEₙ აღნიშვნაში A ცენტრალური ატომია, m არის დაკავშირებული X ატომების რაოდენობა, n კი ცენტრალურ ატომზე გაუზიარებელი წყვილების E რაოდენობა. წყალი არის AX₂E₂: ორი დაკავშირებული ატომი და ორი გაუზიარებელი წყვილი, სტერიკული რიცხვი 4.

ელექტრონული დომენების გეომეტრია მოლეკულის ფორმასთან შედარებით

გაუზიარებელი წყვილები ადგილს იკავებს, მაგრამ ატომები არ არის, ამიტომ ისინი მოლეკულური ფორმის სახელში უხილავია. მოლეკულური გეომეტრია აღწერს მხოლოდ იმას, სად არის ატომები. როცა ცენტრალურ ატომზე გაუზიარებელი წყვილები არ არის, ორი გეომეტრია ერთი და იგივეა; როცა გაუზიარებელი წყვილებია, ისინი განსხვავდება.

ტრიგონალურ ბიპირამიდაში პოზიციები ექვივალენტური არ არის: სამი ეკვატორული პოზიცია 120°-ით არის დაშორებული, ორი აქსიალური პოზიცია კი ეკვატორიდან 90°-ზეა. გაუზიარებელი წყვილები ჯერ ეკვატორულ პოზიციებზე გადადის, რადგან ეკვატორულ ადგილს მხოლოდ ორი მეზობელი ჰყავს 90°-ზე, აქსიალურს კი სამი.

• სტერიკული რიცხვი 3: AX₃ ტრიგონალური ბრტყელი; AX₂E კუთხოვანი, კუთხე 120°-ზე ნაკლები.
• სტერიკული რიცხვი 4: AX₄ ტეტრაედრული; AX₃E ტრიგონალურ-პირამიდული; AX₂E₂ კუთხოვანი, კუთხეები 109.5°-ზე ნაკლები.
• სტერიკული რიცხვი 5: AX₅ ტრიგონალური ბიპირამიდული; AX₄E საქანელა; AX₃E₂ T-ს ფორმის; AX₂E₃ წრფივი.
• სტერიკული რიცხვი 6: AX₆ ოქტაედრული; AX₅E კვადრატულ-პირამიდული; AX₄E₂ კვადრატული ბრტყელი.

რატომ ამცირებს გაუზიარებელი წყვილები ბმის კუთხეებს

გაუზიარებელ წყვილს მხოლოდ ერთი ბირთვი იკავებს, ამიტომ მისი ელექტრონული სიმკვრივე ცენტრალური ატომის მახლობლად უფრო ფართოდ ნაწილდება, ვიდრე მაკავშირებელი წყვილისა. ამიტომ განზიდვები მიჰყვება რიგს გაუზიარებელი წყვილი–გაუზიარებელი წყვილი > გაუზიარებელი წყვილი–მაკავშირებელი წყვილი > მაკავშირებელი წყვილი–მაკავშირებელი წყვილი, და თითოეული დამატებული გაუზიარებელი წყვილი დარჩენილ ბმებს უფრო ახლოს ატყუპებს.

ტეტრაედრული ოჯახი ტენდენციას აჩვენებს. მეთანს, CH₄, გაუზიარებელი წყვილების გარეშე, H–C–H კუთხეები 109.5° აქვს. ამიაკს, NH₃, ერთი გაუზიარებელი წყვილით, H–N–H კუთხეები ცოტა უფრო მცირე აქვს. წყალს, ორი გაუზიარებელი წყვილით, H–O–H კუთხე 104.5° აქვს, OpenStax Chemistry 2e-ში მოცემული მნიშვნელობა. ჯერადი ბმები მსგავს, უფრო მცირე ეფექტს იძლევა, რადგან ორმაგი ბმა ერთმაგ ბმაზე მეტ ელექტრონულ სიმკვრივეს იტევს.

VSEPR ამ გადახრების მიმართულებას საიმედოდ წინასწარმეტყველებს, მაგრამ არა მათ ზუსტ სიდიდეს. როცა კითხვა გაუზიარებელი წყვილების მქონე მოლეკულაში კუთხეს ითხოვს, უპასუხეთ „იდეალურ მნიშვნელობაზე ოდნავ ნაკლები“, თუ გაზომილი მონაცემები არ გაქვთ.

გადაწყვეტილი მაგალითები: ქლორის ტრიფტორიდი და ქსენონის ტეტრაფტორიდი

ქლორის ტრიფტორიდი, ClF₃. ვალენტური ელექტრონები: 7 + 3(7) = 28. სამი Cl–F ერთმაგი ბმა 6 ელექტრონს იყენებს, სამი ფტორის ოქტეტის დასრულება კი 3 × 6 = 18-ს, სულ 24. დარჩენილი 4 ელექტრონი ქლორზე ორი გაუზიარებელი წყვილის სახით მიდის. ქლორს სამი ბმა და ორი გაუზიარებელი წყვილი აქვს, ამიტომ ის AX₃E₂-ია სტერიკული რიცხვით 5 და ტრიგონალური ბიპირამიდული ელექტრონული დომენების გეომეტრიით.

ორივე გაუზიარებელი წყვილი ეკვატორულ პოზიციებს იკავებს. ეს ერთ ფტორს ეკვატორულ სიბრტყეში ტოვებს და ორს აქსიალურ პოზიციებზე, ამიტომ ატომები T-ს ფორმას ქმნის. გაუზიარებელი წყვილები აქსიალურ ფტორებს ეკვატორულთან აახლოებენ, ამიტომ F–Cl–F კუთხეები 90°-ზე ოდნავ ნაკლებია. სამი Cl–F ბმის დიპოლი T-ის ფორმაში არ აბათილებს ერთმანეთს, ამიტომ ClF₃ პოლარულია.

ქსენონის ტეტრაფტორიდი, XeF₄. ვალენტური ელექტრონები: 8 + 4(7) = 36. ოთხი Xe–F ბმა 8 ელექტრონს იყენებს, ფტორის გაუზიარებელი წყვილები კი 4 × 6 = 24-ს, სულ 32. დარჩენილი 4 ელექტრონი ქსენონზე ორი გაუზიარებელი წყვილია. ოთხი ბმითა და ორი გაუზიარებელი წყვილით ქსენონი AX₄E₂-ია, სტერიკული რიცხვი 6, ოქტაედრული ელექტრონული დომენების გეომეტრია.

ოქტაედრში ყველა პოზიცია ექვივალენტურია, ამიტომ პირველი გაუზიარებელი წყვილი ნებისმიერ ადგილას შეიძლება მოვიდეს; მეორე პირდაპირ მის საპირისპიროდ მოდის, 180°-ით დაშორებით, გაუზიარებელი წყვილი–გაუზიარებელი წყვილი განზიდვის შესამცირებლად. ოთხი ფტორი მაშინ ერთ სიბრტყეში დევს მეზობლებთან 90°-ზე: კვადრატული ბრტყელი. თითოეული Xe–F ბმა პოლარულია, მაგრამ საპირისპირო ბმები ზუსტად საპირისპირო მიმართულებით არის მიმართული, ამიტომ დიპოლები აბათილებს ერთმანეთს და XeF₄ არაპოლარულია.

ბმის დიპოლების შეკრება მოლეკულური პოლარობის საპოვნელად

სხვადასხვა ელექტროუარყოფითობის ატომებს შორის ბმა პოლარულია, ნაწილობრივი უარყოფითი მუხტით (δ−) უფრო ელექტროუარყოფით ატომზე. თითოეულ ბმის დიპოლს აქვს სიდიდე და მიმართულება, ამიტომ ის ვექტორივით იქცევა. მოლეკულური დიპოლური მომენტი ყველა ბმის დიპოლის ვექტორული ჯამია, ჩვეულებრივ დებაებში (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

ბმის დიპოლები აბათილებს ერთმანეთს, როცა იდენტური ბმები სიმეტრიულად არის განლაგებული ცენტრალური ატომის გარშემო. ეს ხდება AX₂ წრფივი, AX₃ ტრიგონალური ბრტყელი, AX₄ ტეტრაედრული, AX₅ ტრიგონალური ბიპირამიდული და AX₆ ოქტაედრული მოლეკულებისთვის, როცა ყველა X ატომი ერთნაირია, ასევე AX₄E₂ კვადრატული ბრტყელი და AX₂E₃ წრფივი ფორმებისთვის, სადაც გაუზიარებელი წყვილები სიმეტრიულად არის განლაგებული და თითოეული ბმა პირდაპირ იდენტური ბმის საპირისპიროდ არის მიმართული. ფორმისა და ჩამნაცვლებლების სხვა კომბინაციები ზოგადად წმინდა დიპოლს ტოვებს.

გადაწყვეტილი შედარება: გოგირდის დიოქსიდი და გოგირდის ტრიოქსიდი. SO₂-ს აქვს 6 + 2(6) = 18 ვალენტური ელექტრონი; მისი ლუისის სტრუქტურა გოგირდზე ორ მაკავშირებელ დომენს და ერთ გაუზიარებელ წყვილს ათავსებს (AX₂E), ამიტომ მოლეკულა კუთხოვანია. ორი S–O დიპოლი ნაწილობრივ ერთი მიმართულებით არის მიმართული, მათი ჯამი ნული არ არის და SO₂ პოლარულია. SO₃-ს აქვს 6 + 3(6) = 24 ვალენტური ელექტრონი და სამი მაკავშირებელი დომენი გოგირდზე გაუზიარებელი წყვილის გარეშე (AX₃), ამიტომ ის ტრიგონალური ბრტყელია. 120°-ით დაშორებული სამი ტოლი დიპოლის ჯამი ნულია და SO₃ არაპოლარულია, თუმცა მასში ყველა ბმა პოლარულია.

ფორმისა და პოლარობის გავრცელებული შეცდომები

შეცდომების უმეტესობა მოდის ლუისის სტრუქტურის გამოტოვებიდან ან გვერდზე ბრტყელი ნახაზის წაკითხვიდან, თითქოს ის რეალური ფორმა იყოს. სწრაფი რუტინა მათ ამჩნევს: დახატეთ ლუისის სტრუქტურა, დათვალეთ დომენები ცენტრალურ ატომზე, დაასახელეთ ელექტრონული დომენების გეომეტრია, მოაშორეთ გაუზიარებელი წყვილები მოლეკულური ფორმის დასასახელებლად, შემდეგ შეკრიბეთ ბმის დიპოლები სამ განზომილებაში.

ფიზიკური მოდელი ან ყურადღებით შესრულებული სოლისა და წყვეტილი ხაზის ესკიზი ბოლო ნაბიჯში გვეხმარება. თუ მოლეკულას ისე შეატრიალებთ, რომ ერთ ბმის დიპოლს საპირისპიროდ მიმართული წყვილი არ ჰყავს, მოლეკულა პოლარულია. თუ ყველა ბმას იდენტური ბმა ეწინააღმდეგება საპირისპირო მხარეს, ან სიმეტრიული ნაკრები, მაგალითად სამი ბმა 120°-ზე, ის არაპოლარულია.

• ელექტრონული დომენების გეომეტრიის დასახელება, როცა კითხვა მოლეკულურ ფორმას ითხოვს. წყლის დომენები ტეტრაედრულია; მისი ფორმა კუთხოვანია.
• ცენტრალურ ატომზე გაუზიარებელი წყვილების დავიწყება, რაც NH₃-ს შეცდომით ტრიგონალურ ბრტყელ მოლეკულად აქცევს.
• ორმაგი ან სამმაგი ბმის ორ ან სამ დომენად დათვლა.
• დასკვნა, რომ მოლეკულა პოლარულია, რადგან მისი ბმები პოლარულია, იმის შემოწმების გარეშე, აბათილებს თუ არა დიპოლები ერთმანეთს.
• სიმეტრიის განსჯა ბრტყელი ნახაზიდან. CH₂Cl₂ ქაღალდზე სიმეტრიულად გამოიყურება, მაგრამ ტეტრაედრულია ორი განსხვავებული ტიპის ბმით, ამიტომ პოლარულია.
• გაუზიარებელი წყვილების განთავსება ტრიგონალური ბიპირამიდის აქსიალურ პოზიციებზე, რაც SF₄-ის, ClF₃-ისა და XeF₂-ის არასწორ ფორმას იძლევა.