VSEPR геометриясы және молекулалық полярлық

Орталық атомның айналасындағы электрон домендерін санау

VSEPR дұрыс Льюис құрылымынан басталады. Орталық атомның айналасындағы электрон домендерін санаңыз: әр бөлінбеген жұп бір домен, ал басқа атомға әр байланыс жай, қос немесе үш болса да бір домен. Жалпы санды көбіне стерикалық сан деп атайды. Қос байланыс бір рет саналады, өйткені оның электрондары екі атом арасындағы кеңістіктің сол аймағын алады.

Стерикалық сан электрондық домен геометриясын, домендерді бір-бірінен ең алыс ұстайтын орналасуды бекітеді. Екі домен — сызықтық (180°), үшеуі — үшбұрышты жазық (120°), төртеуі — тетраэдрлік (109.5°), бесеуі — үшбұрышты бипирамидалық (90° және 120°), ал алтауы — октаэдрлік (90°).

Қысқа белгі санауды қадағалауға көмектеседі. AXₘEₙ белгілеуінде A — орталық атом, m — байланысқан X атомдарының саны, ал n — орталық атомдағы E бөлінбеген жұптарының саны. Су — AX₂E₂: екі байланысқан атом және екі бөлінбеген жұп, стерикалық сан 4.

Электрондық домен геометриясы және молекулалық пішін

Бөлінбеген жұптар орын алады, бірақ олар атом емес, сондықтан молекулалық пішіннің атауында көрінбейді. Молекулалық геометрия тек атомдардың қайда орналасқанын сипаттайды. Орталық атомда бөлінбеген жұптар болмағанда, екі геометрия бірдей; бөлінбеген жұптар болғанда олар өзгеше.

Үшбұрышты бипирамидада орындар эквивалентті емес: үш экваторлық орын бір-бірінен 120° қашықтықта, ал екі осьтік орын экватордан 90°. Бөлінбеген жұптар алдымен экваторлық орындарға барады, өйткені экваторлық орында 90°-та тек екі көрші бар, ал осьтік орында үш.

• Стерикалық сан 3: AX₃ үшбұрышты жазық; AX₂E бұрышты, бұрыш 120°-тан кіші.
• Стерикалық сан 4: AX₄ тетраэдрлік; AX₃E үшбұрышты пирамидалық; AX₂E₂ бұрышты, бұрыштар 109.5°-тан кіші.
• Стерикалық сан 5: AX₅ үшбұрышты бипирамидалық; AX₄E тербелмелі; AX₃E₂ T-тәрізді; AX₂E₃ сызықтық.
• Стерикалық сан 6: AX₆ октаэдрлік; AX₅E төртбұрышты пирамидалық; AX₄E₂ төртбұрышты жазық.

Бөлінбеген жұптар байланыс бұрыштарын неге кішірейтеді

Бөлінбеген жұпты тек бір ядро ұстайды, сондықтан оның электрон тығыздығы орталық атомның жанында байланыс жұбына қарағанда кеңірек таралады. Сондықтан тебілу мына ретпен жүреді: бөлінбеген жұп–бөлінбеген жұп > бөлінбеген жұп–байланыс жұбы > байланыс жұбы–байланыс жұбы, және қосылған әр бөлінбеген жұп қалған байланыстарды бір-біріне жақындата қысады.

Тетраэдрлік отбасы заңдылықты көрсетеді. Бөлінбеген жұптары жоқ метанда, CH₄, H–C–H бұрыштары 109.5°. Бір бөлінбеген жұбы бар аммиакта, NH₃, H–N–H бұрыштары сәл кіші. Екі бөлінбеген жұбы бар суда H–O–H бұрышы 104.5°, бұл OpenStax Chemistry 2e-де берілген мән. Еселі байланыстардың ұқсас, кішірек әсері бар, өйткені қос байланыс жай байланысқа қарағанда көбірек электрон тығыздығын ұстайды.

VSEPR осы ауытқулардың бағытын сенімді болжайды, бірақ олардың нақты шамасын болжамайды. Сұрақ бөлінбеген жұптары бар молекуладағы бұрышты сұраса, өлшенген деректер болмаса, «идеал мәннен сәл аз» деп жауап беріңіз.

Шешілген мысалдар: хлор трифториді және ксенон тетрафториді

Хлор трифториді, ClF₃. Валенттік электрондар: 7 + 3(7) = 28. Үш Cl–F жай байланысы 6 электрон жұмсайды, ал үш фтор октетін толтыру 3 × 6 = 18 жұмсайды, барлығы 24. Қалған 4 электрон хлорға екі бөлінбеген жұп ретінде барады. Хлорда үш байланыс және екі бөлінбеген жұп бар, сондықтан ол AX₃E₂, стерикалық саны 5 және электрондық домен геометриясы үшбұрышты бипирамидалық.

Екі бөлінбеген жұп те экваторлық орындарды алады. Сонда бір фтор экваторлық жазықтықта, екеуі осьтік орындарда қалады, сондықтан атомдар T пішінін құрайды. Бөлінбеген жұптар осьтік фторларды экваторлық фторға қарай итереді, сондықтан F–Cl–F бұрыштары 90°-тан сәл аз. Үш Cl–F байланыс дипольдері T пішінінде жойылмайды, сондықтан ClF₃ полярлы.

Ксенон тетрафториді, XeF₄. Валенттік электрондар: 8 + 4(7) = 36. Төрт Xe–F байланысы 8 электрон жұмсайды, ал фтордың бөлінбеген жұптары 4 × 6 = 24 жұмсайды, барлығы 32. Қалған 4 электрон ксенондағы екі бөлінбеген жұп. Төрт байланыс пен екі бөлінбеген жұбы бар ксенон AX₄E₂, стерикалық саны 6, электрондық домен геометриясы октаэдрлік.

Октаэдрде әр орын эквивалентті, сондықтан бірінші бөлінбеген жұп кез келген жерге бара алады; екіншісі бөлінбеген жұп–бөлінбеген жұп тебілуін азайту үшін дәл оның қарсы жағына, 180°-қа барады. Сонда төрт фтор көршілерімен 90° жасап бір жазықтықта жатады: төртбұрышты жазық. Әр Xe–F байланысы полярлы, бірақ қарама-қарсы байланыстар дәл қарама-қарсы бағытқа қарайды, сондықтан дипольдер жойылады және XeF₄ полярсыз.

Молекулалық полярлықты табу үшін байланыс дипольдерін қосу

Электртерістігі әртүрлі атомдар арасындағы байланыс полярлы, электртерістігі жоғары атомда ішінара теріс заряд (δ−) болады. Әр байланыс дипольінің шамасы мен бағыты бар, сондықтан ол вектор сияқты әрекет етеді. Молекулалық дипольдік момент — барлық байланыс дипольдерінің векторлық қосындысы, әдетте дебаймен көрсетіледі (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Бірдей байланыстар орталық атомның айналасында симметриялы орналасқанда байланыс дипольдері жойылады. Бұл барлық X атомдары бірдей болғанда AX₂ сызықтық, AX₃ үшбұрышты жазық, AX₄ тетраэдрлік, AX₅ үшбұрышты бипирамидалық және AX₆ октаэдрлік молекулаларда, сондай-ақ бөлінбеген жұптар симметриялы орналасып, әр байланыс дәл бірдей байланыстың қарсысына қараған AX₄E₂ төртбұрышты жазық және AX₂E₃ сызықтық пішіндерде болады. Пішін мен орынбасарлардың басқа үйлесімдері әдетте таза дипольді қалдырады.

Шешілген салыстыру: күкірт диоксиді және күкірт триоксиді. SO₂-де 6 + 2(6) = 18 валенттік электрон бар; оның Льюис құрылымы күкіртке екі байланыс доменін және бір бөлінбеген жұпты қояды (AX₂E), сондықтан молекула бұрышты. Екі S–O диполі ішінара бір бағытқа қарайды, олардың қосындысы нөл емес, және SO₂ полярлы. SO₃-те 6 + 3(6) = 24 валенттік электрон және күкіртте бөлінбеген жұпсыз үш байланыс домені бар (AX₃), сондықтан ол үшбұрышты жазық. Бір-бірінен 120° қашықтықтағы үш тең диполь қосындысы нөл, және SO₃ ондағы әр байланыс полярлы болса да полярсыз.

Пішін мен полярлықтың жиі қателері

Қателердің көбі Льюис құрылымын өткізіп жіберуден немесе беттегі жалпақ сызбаны шынайы пішін ретінде оқудан туады. Жылдам тәртіп оларды ұстайды: Льюис құрылымын сызыңыз, орталық атомдағы домендерді санаңыз, электрондық домен геометриясын атаңыз, молекулалық пішінді атау үшін бөлінбеген жұптарды алып тастаңыз, содан кейін байланыс дипольдерін үш өлшемде қосыңыз.

Соңғы қадамға физикалық модель немесе мұқият сына-және-сызық сызбасы көмектеседі. Егер молекуланы бір байланыс диполінің қарсы бағытқа қараған жұбы болмайтындай бұра алсаңыз, молекула полярлы. Егер әр байланысқа қарама-қарсы жақта бірдей байланыс сәйкес келсе немесе 120°-тағы үш байланыс сияқты симметриялы жиын сәйкес келсе, ол полярсыз.

• Сұрақ молекулалық пішінді сұрағанда электрондық домен геометриясын атау. Судың домендері тетраэдрлік; оның пішіні бұрышты.
• Орталық атомдағы бөлінбеген жұптарды ұмыту, бұл NH₃-ті қателесіп үшбұрышты жазық молекула етіп жібереді.
• Қос немесе үш байланысты екі немесе үш домен деп санау.
• Байланыстары полярлы болғандықтан ғана молекуланы полярлы деп қорытындылау, дипольдердің жойылатынын тексермеу.
• Симметрияны жалпақ сызбадан бағалау. CH₂Cl₂ қағазда симметриялы көрінеді, бірақ екі түрлі байланысы бар тетраэдр, сондықтан ол полярлы.
• Бөлінбеген жұптарды үшбұрышты бипирамиданың осьтік орындарына қою, бұл SF₄, ClF₃ және XeF₂ үшін қате пішін береді.