VSEPR геометрија и поларност на молекулите

Броење електронски домени околу централниот атом

VSEPR започнува од точна Луисова структура. Околу централниот атом броите електронски домени: секој слободен пар е еден домен, а секоја врска со друг атом е еден домен без разлика дали е единечна, двојна или тројна. Вкупниот број често се нарекува стерен број. Двојната врска се брои еднаш бидејќи нејзините електрони го заземаат истиот простор меѓу двата атома.

Стерниот број ја определува геометријата на електронските домени, распоредот што ги држи домените најдалеку еден од друг. Два домена се линеарни (180°), три се тригонално-рамнински (120°), четири се тетраедарски (109.5°), пет се тригонално-бипирамидални (90° и 120°), а шест се октаедарски (90°).

Кратка ознака го следи бројот. Во записот AXₘEₙ, A е централниот атом, m е бројот на врзани атоми X, а n е бројот на слободни парови E на централниот атом. Водата е AX₂E₂: два врзани атома и два слободни пара, стерен број 4.

Геометрија на електронските домени наспроти облик на молекулата

Слободните парови зафаќаат простор, но не се атоми, па не се гледаат во името на молекулскиот облик. Молекулската геометрија опишува само каде стојат атомите. Кога нема слободни парови на централниот атом, двете геометрии се исти; кога има слободни парови, се разликуваат.

Кај тригоналната бипирамида позициите не се еквивалентни: трите екваторијални позиции се оддалечени 120°, а двете аксијални позиции се на 90° од екваторот. Слободните парови одат прво на екваторијалните позиции, бидејќи екваторијалното место има само два соседи на 90°, а аксијалното три.

• Стерен број 3: AX₃ тригонално-рамнински; AX₂E свиткан, агол под 120°.
• Стерен број 4: AX₄ тетраедарски; AX₃E тригонално-пирамидален; AX₂E₂ свиткан, агли под 109.5°.
• Стерен број 5: AX₅ тригонално-бипирамидален; AX₄E клацкалка; AX₃E₂ Т-облик; AX₂E₃ линеарен.
• Стерен број 6: AX₆ октаедарски; AX₅E квадратно-пирамидален; AX₄E₂ квадратно-рамнински.

Зошто слободните парови ги стеснуваат аглите на врските

Слободниот пар го држи само едно јадро, па неговата електронска густина се шири пошироко околу централниот атом отколку кај врзувачкиот пар. Одбивањата затоа го следат редоследот слободен пар–слободен пар > слободен пар–врзувачки пар > врзувачки пар–врзувачки пар, а секој додаден слободен пар ги стиснува преостанатите врски поблиску една до друга.

Тетраедарското семејство го покажува трендот. Метанот, CH₄, без слободни парови, има агли H–C–H од 109.5°. Амонијакот, NH₃, со еден слободен пар, има агли H–N–H малку помали. Водата, со два слободни пара, има агол H–O–H од 104.5°, вредноста дадена во OpenStax Chemistry 2e. Повеќекратните врски имаат сличен, помал ефект, бидејќи двојната врска држи повеќе електронска густина од единечната.

VSEPR сигурно ја предвидува насоката на овие отстапувања, но не и нивната точна големина. Кога прашањето бара агол во молекула со слободни парови, одговорете „малку помал од“ идеалната вредност, освен ако немате измерени податоци.

Решени примери: хлор трифлуорид и ксенон тетрафлуорид

Хлор трифлуорид, ClF₃. Валентни електрони: 7 + 3(7) = 28. Три единечни врски Cl–F трошат 6 електрони, а дополнувањето на трите октети на флуорот троши 3 × 6 = 18, вкупно 24. Преостанатите 4 електрони одат на хлорот како два слободни пара. Хлорот има три врски и два слободни пара, па е AX₃E₂ со стерен број 5 и тригонално-бипирамидална геометрија на електронските домени.

Двата слободни пара заземаат екваторијални позиции. Така еден флуор останува во екваторијалната рамнина, а два во аксијалните позиции, па атомите формираат Т-облик. Слободните парови ги туркаат аксијалните флуори кон екваторијалниот, па аглите F–Cl–F се малку помали од 90°. Трите диполи на врските Cl–F не се поништуваат во Т-облик, па ClF₃ е поларен.

Ксенон тетрафлуорид, XeF₄. Валентни електрони: 8 + 4(7) = 36. Четири врски Xe–F трошат 8 електрони, а слободните парови на флуорот трошат 4 × 6 = 24, вкупно 32. Преостанатите 4 електрони се два слободни пара на ксенонот. Со четири врски и два слободни пара, ксенонот е AX₄E₂, стерен број 6, октаедарска геометрија на електронските домени.

Кај октаедарот секоја позиција е еквивалентна, па првиот слободен пар може да оди каде било; вториот оди директно спроти него, на 180°, за да се минимизира одбивањето слободен пар–слободен пар. Четирите флуори потоа лежат во една рамнина на 90° од соседите: квадратно-рамнински облик. Секоја врска Xe–F е поларна, но спротивните врски покажуваат точно во спротивни насоки, па диполите се поништуваат и XeF₄ е неполарен.

Собирање на диполите на врските за да се најде поларноста на молекулата

Врската меѓу атоми со различна електронегативност е поларна, со парцијален негативен полнеж (δ−) на поелектронегативниот атом. Секој дипол на врска има големина и насока, па се однесува како вектор. Диполниот момент на молекулата е векторски збир на сите диполи на врските, обично наведен во дебаи (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Диполите на врските се поништуваат кога идентични врски се распоредени симетрично околу централниот атом. Тоа се случува кај молекулите AX₂ линеарни, AX₃ тригонално-рамнински, AX₄ тетраедарски, AX₅ тригонално-бипирамидални и AX₆ октаедарски кога сите атоми X се исти, а исто така и кај обликите AX₄E₂ квадратно-рамнински и AX₂E₃ линеарен, каде слободните парови се распоредени симетрично и секоја врска покажува директно спроти идентична врска. Другите комбинации на облик и супституенти општо оставаат нето-дипол.

Решена споредба: сулфур диоксид и сулфур триоксид. SO₂ има 6 + 2(6) = 18 валентни електрони; неговата Луисова структура става два врзувачки домена и еден слободен пар на сулфурот (AX₂E), па молекулата е свиткана. Двата диполи S–O делумно покажуваат во иста насока, нивниот збир не е нула и SO₂ е поларен. SO₃ има 6 + 3(6) = 24 валентни електрони и три врзувачки домена без слободен пар на сулфурот (AX₃), па е тригонално-рамнински. Три еднакви диполи на 120° еден од друг се собираат во нула, а SO₃ е неполарен иако секоја врска во него е поларна.

Вообичаени грешки со обликот и поларноста

Повеќето грешки доаѓаат од прескокнување на Луисовата структура или од читање на рамниот цртеж на страницата како да е вистинскиот облик. Брза рутина ги фаќа: нацртајте ја Луисовата структура, пребројте ги домените на централниот атом, именувајте ја геометријата на електронските домени, отстранете ги слободните парови за да го именувате обликот на молекулата, па соберете ги диполите на врските во три димензии.

Физички модел или внимателна скица со клинести и испрекинати линии помага при последниот чекор. Ако можете да ја завртите молекулата така што еден дипол на врска нема партнер што покажува во спротивна насока, молекулата е поларна. Ако секоја врска е парирана со идентична врска на спротивната страна, или со симетричен збир како три врски на 120°, таа е неполарна.

• Именување на геометријата на електронските домени кога прашањето бара облик на молекулата. Доменот на водата е тетраедарски; нејзиниот облик е свиткан.
• Заборавање на слободните парови на централниот атом, што по грешка го претвора NH₃ во тригонално-рамнинска молекула.
• Броење на двојна или тројна врска како два или три домена.
• Заклучување дека молекулата е поларна затоа што врските се поларни, без да се провери дали диполите се поништуваат.
• Проценување на симетријата од рамен цртеж. CH₂Cl₂ изгледа симетричен на хартија, но е тетраедарски со два различни вида врски, па е поларен.
• Ставање слободни парови во аксијални позиции на тригонална бипирамида, што го дава погрешниот облик за SF₄, ClF₃ и XeF₂.