VSEPR geometrija ir molekulių poliškumas

Elektronų sričių aplink centrinį atomą skaičiavimas

VSEPR prasideda nuo teisingos Lewiso struktūros. Aplink centrinį atomą suskaičiuokite elektronų sritis: kiekviena nesujungta pora yra viena sritis, o kiekvienas ryšys su kitu atomu yra viena sritis, nesvarbu, ar jis viengubas, dvigubas ar trigubas. Bendras skaičius dažnai vadinamas steriniu skaičiumi. Dvigubas ryšys skaičiuojamas vieną kartą, nes jo elektronai užima tą pačią erdvės sritį tarp dviejų atomų.

Sterinis skaičius nustato elektronų sričių geometriją, išdėstymą, kuris išlaiko sritis toliausiai viena nuo kitos. Dvi sritys yra tiesinės (180°), trys – trigonalinės plokščiosios (120°), keturios – tetraedrinės (109.5°), penkios – trigonalinės bipiramidės (90° ir 120°), o šešios – oktaedrinės (90°).

Trumpas žymėjimas padeda sekti skaičių. Žymėjime AXₘEₙ A yra centrinis atomas, m yra sujungtų atomų X skaičius, o n yra centrinio atomo nesujungtų porų E skaičius. Vanduo yra AX₂E₂: du sujungti atomai ir dvi nesujungtos poros, sterinis skaičius 4.

Elektronų sričių geometrija ir molekulės forma

Nesujungtos poros užima erdvę, bet jos nėra atomai, todėl molekulės formos pavadinime jų nesimato. Molekulinė geometrija aprašo tik tai, kur yra atomai. Kai centriniame atome nesujungtų porų nėra, abi geometrijos sutampa; kai nesujungtų porų yra, jos skiriasi.

Trigonalinėje bipiramidėje padėtys nėra lygiavertės: trys pusiaujo padėtys yra 120° viena nuo kitos, o dvi ašinės padėtys yra 90° nuo pusiaujo. Nesujungtos poros pirmiausia patenka į pusiaujo padėtis, nes pusiaujo vietoje yra tik du kaimynai 90° kampu, o ašinėje – trys.

• Sterinis skaičius 3: AX₃ trigonalinė plokščioji; AX₂E lenkta, kampas mažesnis nei 120°.
• Sterinis skaičius 4: AX₄ tetraedrinė; AX₃E trigonalinė piramidė; AX₂E₂ lenkta, kampai mažesni nei 109.5°.
• Sterinis skaičius 5: AX₅ trigonalinė bipiramidė; AX₄E „supynių“ forma; AX₃E₂ T formos; AX₂E₃ tiesinė.
• Sterinis skaičius 6: AX₆ oktaedrinė; AX₅E kvadratinė piramidė; AX₄E₂ kvadratinė plokščioji.

Kodėl nesujungtos poros suspaudžia ryšių kampus

Nesujungtą porą laiko tik vienas branduolys, todėl jos elektronų tankis arti centrinio atomo pasklinda plačiau nei ryšio poros. Todėl stūmos eina tokia tvarka: nesujungta pora–nesujungta pora > nesujungta pora–ryšio pora > ryšio pora–ryšio pora, ir kiekviena pridėta nesujungta pora suspaudžia likusius ryšius arčiau vieną prie kito.

Tendenciją parodo tetraedrinė šeima. Metanas, CH₄, be nesujungtų porų, turi H–C–H kampus 109.5°. Amoniakas, NH₃, su viena nesujungta pora, turi šiek tiek mažesnius H–N–H kampus. Vanduo, su dviem nesujungtomis poromis, turi H–O–H kampą 104.5°, kuris pateiktas OpenStax Chemistry 2e. Daugkartiniai ryšiai turi panašų, mažesnį poveikį, nes dvigubas ryšys talpina daugiau elektronų tankio nei viengubas.

VSEPR patikimai nuspėja šių nukrypimų kryptį, bet ne jų tikslų dydį. Kai klausiama kampo molekulėje su nesujungtomis poromis, atsakykite „šiek tiek mažesnis nei“ idealioji vertė, nebent turite išmatuotų duomenų.

Išspręsti pavyzdžiai: chloro trifluoridas ir ksenono tetrafluoridas

Chloro trifluoridas, ClF₃. Valentiniai elektronai: 7 + 3(7) = 28. Trys Cl–F viengubi ryšiai sunaudoja 6 elektronus, o trijų fluoro oktetų užbaigimas sunaudoja 3 × 6 = 18, iš viso 24. Likę 4 elektronai patenka ant chloro kaip dvi nesujungtos poros. Chloras turi tris ryšius ir dvi nesujungtas poras, taigi jis yra AX₃E₂ su steriniu skaičiumi 5 ir trigonaline bipiramidės elektronų sričių geometrija.

Abi nesujungtos poros užima pusiaujo padėtis. Tada vienas fluoras lieka pusiaujo plokštumoje, o du – ašinėse padėtyse, todėl atomai sudaro T formą. Nesujungtos poros stumia ašinius fluorus link pusiaujo fluoro, todėl F–Cl–F kampai yra šiek tiek mažesni nei 90°. Trys Cl–F ryšių dipoliai T formoje vienas kito nepanaikina, todėl ClF₃ yra poliarinis.

Ksenono tetrafluoridas, XeF₄. Valentiniai elektronai: 8 + 4(7) = 36. Keturi Xe–F ryšiai sunaudoja 8 elektronus, o fluoro nesujungtos poros sunaudoja 4 × 6 = 24, iš viso 32. Likę 4 elektronai yra dvi nesujungtos poros ant ksenono. Su keturiais ryšiais ir dviem nesujungtomis poromis ksenonas yra AX₄E₂, sterinis skaičius 6, oktaedrinė elektronų sričių geometrija.

Oktaedre visos padėtys lygiavertės, todėl pirmoji nesujungta pora gali būti bet kur; antroji patenka tiesiai priešingoje pusėje, 180° atstumu, kad būtų sumažinta stūma tarp nesujungtų porų. Tada keturi fluorai guli vienoje plokštumoje 90° kampu prie savo kaimynų: kvadratinė plokščioji forma. Kiekvienas Xe–F ryšys yra poliarinis, bet priešingi ryšiai nukreipti lygiai priešingomis kryptimis, todėl dipoliai panaikina vienas kitą ir XeF₄ yra nepoliarinis.

Ryšių dipolių sudėjimas molekulės poliškumui nustatyti

Ryšys tarp skirtingo elektroneigiamumo atomų yra poliarinis, o labiau elektroneigiamas atomas turi dalinį neigiamą krūvį (δ−). Kiekvienas ryšio dipolis turi dydį ir kryptį, todėl elgiasi kaip vektorius. Molekulės dipolinis momentas yra visų ryšių dipolių vektorinė suma, dažniausiai nurodoma debajais (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Ryšių dipoliai panaikina vienas kitą, kai vienodi ryšiai išdėstyti simetriškai aplink centrinį atomą. Taip nutinka AX₂ tiesinėms, AX₃ trigonalinėms plokščiosioms, AX₄ tetraedrinėms, AX₅ trigonalinėms bipiramidėms ir AX₆ oktaedrinėms molekulėms, kai visi X atomai vienodi, taip pat AX₄E₂ kvadratinėms plokščiosioms ir AX₂E₃ tiesinėms formoms, kur nesujungtos poros išdėstytos simetriškai ir kiekvienas ryšys nukreiptas tiesiai priešais vienodą ryšį. Kitos formos ir pakaitų deriniai paprastai palieka grynąjį dipolį.

Palyginimas su sprendimu: sieros dioksidas ir sieros trioksidas. SO₂ turi 6 + 2(6) = 18 valentinių elektronų; jo Lewiso struktūroje ant sieros yra dvi ryšio sritys ir viena nesujungta pora (AX₂E), todėl molekulė lenkta. Du S–O dipoliai iš dalies nukreipti ta pačia kryptimi, jų suma nėra nulis, ir SO₂ yra poliarinis. SO₃ turi 6 + 3(6) = 24 valentinius elektronus ir tris ryšio sritis be nesujungtos poros ant sieros (AX₃), todėl yra trigonalinis plokščiasis. Trijų vienodų dipolių, nutolusių 120°, suma lygi nuliui, ir SO₃ yra nepoliarinis, nors kiekvienas jo ryšys yra poliarinis.

Dažnos formos ir poliškumo klaidos

Dauguma klaidų kyla praleidus Lewiso struktūrą arba plokščią brėžinį puslapyje perskaičius taip, tarsi jis būtų tikroji forma. Greita rutina jas pastebi: nubraižykite Lewiso struktūrą, suskaičiuokite sritis ties centriniu atomu, įvardykite elektronų sričių geometriją, pašalinkite nesujungtas poras ir įvardykite molekulės formą, tada sudėkite ryšių dipolius trimis matmenimis.

Paskutiniam žingsniui padeda fizinis modelis arba kruopštus pleištų ir brūkšnelių brėžinys. Jei galite pasukti molekulę taip, kad vienas ryšio dipolis neturėtų poros, nukreiptos priešinga kryptimi, molekulė yra poliarinė. Jei kiekvienas ryšys turi vienodą ryšį priešingoje pusėje arba simetrišką rinkinį, pavyzdžiui, tris ryšius 120° kampu, ji yra nepoliarinė.

• Elektronų sričių geometrijos įvardijimas, kai klausiama molekulės formos. Vandens sritys yra tetraedrinės; jo forma yra lenkta.
• Centrinio atomo nesujungtų porų pamiršimas, dėl ko NH₃ klaidingai tampa trigonaline plokščiąja molekule.
• Dvigubo ar trigubo ryšio skaičiavimas kaip dviejų ar trijų sričių.
• Išvada, kad molekulė poliarinė, nes jos ryšiai poliariniai, netikrinant, ar dipoliai panaikina vienas kitą.
• Simetrijos vertinimas pagal plokščią brėžinį. CH₂Cl₂ popieriuje atrodo simetriškas, bet yra tetraedrinis su dviejų skirtingų rūšių ryšiais, todėl yra poliarinis.
• Nesujungtų porų dėjimas į trigonalinės bipiramidės ašines padėtis, dėl ko gaunama neteisinga SF₄, ClF₃ ir XeF₂ forma.