VSEPR ģeometrija un molekulas polaritāte

Elektronu domēnu skaitīšana ap centrālo atomu

VSEPR sākas no pareizas Lūisa struktūras. Ap centrālo atomu saskaitiet elektronu domēnus: katrs nedalītais pāris ir viens domēns, un katra saite ar citu atomu ir viens domēns, vienalga, vai tā ir vienkārša, divkārša vai trīskārša. Kopsummu bieži sauc par steriskajo skaitli. Divkārša saite tiek skaitīta vienu reizi, jo tās elektroni aizņem to pašu telpas apgabalu starp diviem atomiem.

Steriskais skaitlis nosaka elektronu domēnu ģeometriju, izkārtojumu, kas notur domēnus vistālāk viens no otra. Divi domēni ir lineāri (180°), trīs ir trigonāli plakani (120°), četri ir tetraedriski (109.5°), pieci ir trigonāli bipiramidāli (90° un 120°) un seši ir oktaedriski (90°).

Īss apzīmējums palīdz sekot skaitam. Pierakstā AXₘEₙ A ir centrālais atoms, m ir saistīto atomu X skaits un n ir nedalīto pāru E skaits uz centrālā atoma. Ūdens ir AX₂E₂: divi saistīti atomi un divi nedalītie pāri, steriskais skaitlis 4.

Elektronu domēnu ģeometrija pret molekulas formu

Nedalītie pāri aizņem vietu, bet tie nav atomi, tāpēc tie nav redzami molekulas formas nosaukumā. Molekulas ģeometrija apraksta tikai to, kur atrodas atomi. Ja uz centrālā atoma nedalīto pāru nav, abas ģeometrijas ir vienādas; ja nedalītie pāri ir, tās atšķiras.

Trigonālā bipiramīdā pozīcijas nav ekvivalentas: trīs ekvatoriālās pozīcijas atrodas 120° attālumā viena no otras, un divas aksiālās pozīcijas ir 90° no ekvatora. Nedalītie pāri vispirms ieņem ekvatoriālās pozīcijas, jo ekvatoriālajai vietai ir tikai divi kaimiņi 90° leņķī, bet aksiālajai trīs.

• Steriskais skaitlis 3: AX₃ trigonāli plakana; AX₂E leņķveida, leņķis zem 120°.
• Steriskais skaitlis 4: AX₄ tetraedriska; AX₃E trigonāli piramidāla; AX₂E₂ leņķveida, leņķi zem 109.5°.
• Steriskais skaitlis 5: AX₅ trigonāli bipiramidāla; AX₄E šūpoļveida; AX₃E₂ T-veida; AX₂E₃ lineāra.
• Steriskais skaitlis 6: AX₆ oktaedriska; AX₅E kvadrātpiramidāla; AX₄E₂ kvadrātveida plakana.

Kāpēc nedalītie pāri saspiež saišu leņķus

Nedalīto pāri tur tikai viens kodols, tāpēc tā elektronu blīvums pie centrālā atoma izkliedējas plašāk nekā saistošajam pārim. Tāpēc atgrūšanās seko secībai nedalītais pāris–nedalītais pāris > nedalītais pāris–saistošais pāris > saistošais pāris–saistošais pāris, un katrs pievienotais nedalītais pāris saspiež atlikušās saites ciešāk kopā.

Tetraedriskā saime parāda šo likumsakarību. Metānam CH₄ bez nedalītajiem pāriem H–C–H leņķi ir 109.5°. Amonjakam NH₃ ar vienu nedalīto pāri H–N–H leņķi ir nedaudz mazāki. Ūdenim ar diviem nedalītajiem pāriem H–O–H leņķis ir 104.5°, kā norādīts OpenStax Chemistry 2e. Daudzkārtējām saitēm ir līdzīga, mazāka ietekme, jo divkāršā saite satur vairāk elektronu blīvuma nekā vienkāršā.

VSEPR uzticami paredz šo noviržu virzienu, bet ne to precīzo lielumu. Ja jautājums prasa leņķi molekulā ar nedalītajiem pāriem, atbildiet „nedaudz mazāks par” ideālo vērtību, ja vien nav izmērītu datu.

Risināti piemēri: hlora trifluorīds un ksenona tetrafluorīds

Hlora trifluorīds ClF₃. Valences elektroni: 7 + 3(7) = 28. Trīs Cl–F vienkāršās saites izmanto 6 elektronus, un trīs fluora oktetu pabeigšana izmanto 3 × 6 = 18, kopā 24. Atlikušie 4 elektroni nonāk uz hlora kā divi nedalītie pāri. Hloram ir trīs saites un divi nedalītie pāri, tātad tas ir AX₃E₂ ar steriskā skaitli 5 un trigonāli bipiramidālu elektronu domēnu ģeometriju.

Abi nedalītie pāri ieņem ekvatoriālās pozīcijas. Tā ekvatoriālajā plaknē paliek viens fluors un divi aksiālajās pozīcijās, tāpēc atomi veido T formu. Nedalītie pāri spiež aksiālos fluorus uz ekvatoriālā pusi, tāpēc F–Cl–F leņķi ir nedaudz mazāki par 90°. Trīs Cl–F saišu dipoli T formā nekompensējas, tāpēc ClF₃ ir polārs.

Ksenona tetrafluorīds XeF₄. Valences elektroni: 8 + 4(7) = 36. Četras Xe–F saites izmanto 8 elektronus un fluora nedalītie pāri izmanto 4 × 6 = 24, kopā 32. Atlikušie 4 elektroni ir divi nedalītie pāri uz ksenona. Ar četrām saitēm un diviem nedalītajiem pāriem ksenons ir AX₄E₂, steriskais skaitlis 6, oktaedriska elektronu domēnu ģeometrija.

Oktaedrā katra pozīcija ir ekvivalenta, tāpēc pirmais nedalītais pāris var atrasties jebkur; otrs atrodas tieši pretī, 180° attālumā, lai samazinātu nedalītais pāris–nedalītais pāris atgrūšanos. Četri fluori tad atrodas vienā plaknē 90° leņķī pret saviem kaimiņiem: kvadrātveida plakana forma. Katra Xe–F saite ir polāra, bet pretējās saites vērstas tieši pretējos virzienos, tāpēc dipoli kompensējas un XeF₄ ir nepolārs.

Saišu dipolu saskaitīšana, lai noteiktu molekulas polaritāti

Saite starp dažādas elektronegativitātes atomiem ir polāra, ar daļēju negatīvu lādiņu (δ−) uz elektronegatīvākā atoma. Katram saites dipolam ir lielums un virziens, tāpēc tas uzvedas kā vektors. Molekulas dipola moments ir visu saišu dipolu vektoru summa, ko parasti norāda debajos (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Saišu dipoli kompensējas, ja identiskas saites ir simetriski izvietotas ap centrālo atomu. Tas notiek AX₂ lineārām, AX₃ trigonāli plakanām, AX₄ tetraedriskām, AX₅ trigonāli bipiramidālām un AX₆ oktaedriskām molekulām, kad visi X atomi ir vienādi, kā arī AX₄E₂ kvadrātveida plakanām un AX₂E₃ lineārām formām, kur nedalītie pāri ir simetriski izkārtoti un katra saite ir vērsta tieši pretī identiskai saitei. Citas formas un aizvietotāju kombinācijas parasti atstāj tīru dipolu.

Risināts salīdzinājums: sēra dioksīds un sēra trioksīds. SO₂ ir 6 + 2(6) = 18 valences elektroni; tā Lūisa struktūra uz sēra novieto divus saistošos domēnus un vienu nedalīto pāri (AX₂E), tāpēc molekula ir leņķveida. Abi S–O dipoli daļēji vērsti vienā virzienā, to summa nav nulle, un SO₂ ir polārs. SO₃ ir 6 + 3(6) = 24 valences elektroni un trīs saistošie domēni bez nedalītā pāra uz sēra (AX₃), tāpēc tas ir trigonāli plakans. Trīs vienādi dipoli 120° attālumā summējas līdz nullei, un SO₃ ir nepolārs, lai gan katra tā saite ir polāra.

Biežākās formas un polaritātes kļūdas

Lielākā daļa kļūdu rodas, izlaižot Lūisa struktūru vai uztverot plakano zīmējumu lapā tā, it kā tā būtu īstā forma. Ātra rutīna tās pamana: uzzīmējiet Lūisa struktūru, saskaitiet domēnus uz centrālā atoma, nosauciet elektronu domēnu ģeometriju, noņemiet nedalītos pārus, lai nosauktu molekulas formu, tad saskaitiet saišu dipolus trīs dimensijās.

Fizisks modelis vai rūpīgs ķīļa un svītru zīmējums palīdz pēdējā solī. Ja molekulu var pagriezt tā, ka vienam saites dipolam nav partnera, kas vērsts pretējā virzienā, molekula ir polāra. Ja katrai saitei ir identiska saite pretējā pusē vai simetriska kopa, piemēram, trīs saites 120° leņķī, tā ir nepolāra.

• Elektronu domēnu ģeometrijas nosaukšana, kad jautājums prasa molekulas formu. Ūdens domēni ir tetraedriski; tā forma ir leņķveida.
• Nedalīto pāru aizmirsšana uz centrālā atoma, kas NH₃ kļūdaini pārvērš par trigonāli plakanu molekulu.
• Divkāršas vai trīskāršas saites skaitīšana kā divi vai trīs domēni.
• Secinājums, ka molekula ir polāra, jo tās saites ir polāras, nepārbaudot, vai dipoli kompensējas.
• Simetrijas vērtēšana pēc plakana zīmējuma. CH₂Cl₂ uz papīra izskatās simetrisks, bet ir tetraedrisks ar diviem dažādiem saišu veidiem, tāpēc ir polārs.
• Nedalīto pāru novietošana trigonālās bipiramīdas aksiālajās pozīcijās, kas dod nepareizu formu SF₄, ClF₃ un XeF₂.