VSEPR геометр ба молекулын туйлшрал

Төв атомын эргэн тойрон дахь электрон домэйнийг тоолох

VSEPR зөв Льюисийн бүтцээс эхэлнэ. Төв атомын эргэн тойронд электрон домэйнийг тоол: дангар хос бүр нэг домэйн, өөр атомтай холбоо бүр ганц, давхар эсвэл гурвалсан байсан ч нэг домэйн. Нийт тоог ихэвчлэн стерик тоо гэнэ. Давхар холбоо нэг л удаа тоологдоно, учир нь түүний электронууд хоёр атомын хоорондох орон зайн ижил бүсийг эзэлдэг.

Стерик тоо нь домэйнүүдийг хамгийн хол байлгах электрон домэйны геометрийг тогтооно. Хоёр домэйн нь шугаман (180°), гурав нь гурвалжин хавтгай (120°), дөрөв нь тетраэдр (109.5°), тав нь гурвалжин бипирамид (90° ба 120°), зургаа нь октаэдр (90°).

Богино тэмдэглэгээ тоог хянана. AXₘEₙ тэмдэглэгээнд A нь төв атом, m нь холбогдсон X атомын тоо, n нь төв атом дээрх дангар хос E-ийн тоо. Ус бол AX₂E₂: хоёр холбогдсон атом ба хоёр дангар хос, стерик тоо 4.

Электрон домэйны геометр ба молекулын хэлбэр

Дангар хосууд зай эзэлдэг боловч атом биш, иймээс молекулын хэлбэрийн нэрэнд харагддаггүй. Молекулын геометр зөвхөн атомууд хаана байрлахыг дүрсэлнэ. Төв атом дээр дангар хос байхгүй үед хоёр геометр ижил; дангар хос байвал өөр.

Гурвалжин бипирамидад байрлалууд эквивалент биш: гурван экваторын байрлал бие биенээсээ 120°, хоёр тэнхлэгийн байрлал экватороос 90°. Дангар хосууд эхлээд экваторын байрлалд очдог, учир нь экваторын байрлал 90°-д зөвхөн хоёр хөрштэй бол тэнхлэгийн байрлал гурван хөрштэй.

• Стерик тоо 3: AX₃ гурвалжин хавтгай; AX₂E нугалсан, өнцөг 120°-аас бага.
• Стерик тоо 4: AX₄ тетраэдр; AX₃E гурвалжин пирамид; AX₂E₂ нугалсан, өнцгүүд 109.5°-аас бага.
• Стерик тоо 5: AX₅ гурвалжин бипирамид; AX₄E савлуур хэлбэр; AX₃E₂ T хэлбэртэй; AX₂E₃ шугаман.
• Стерик тоо 6: AX₆ октаэдр; AX₅E дөрвөлжин пирамид; AX₄E₂ дөрвөлжин хавтгай.

Дангар хосууд холбооны өнцгийг яагаад шахдаг вэ

Дангар хосыг зөвхөн нэг цөм барьдаг тул түүний электрон нягт төв атомын ойролцоо холбоо үүсгэгч хосоос илүү өргөн тархдаг. Иймээс түлхэлцэл нь дангар хос–дангар хос > дангар хос–холбоо үүсгэгч хос > холбоо үүсгэгч хос–холбоо үүсгэгч хос дарааллыг дагах бөгөөд нэмэгдсэн дангар хос бүр үлдсэн холбоонуудыг бие биедээ ойртуулан шахна.

Тетраэдр бүлэг хандлагыг харуулна. Дангар хосгүй метан CH₄-ийн H–C–H өнцөг 109.5°. Нэг дангар хостой аммиак NH₃-ийн H–N–H өнцөг бага зэрэг жижиг. Хоёр дангар хостой усны H–O–H өнцөг 104.5°, энэ нь OpenStax Chemistry 2e-д өгсөн утга. Олон холбоо ижил төстэй, жижиг нөлөөтэй, учир нь давхар холбоо ганц холбооноос илүү электрон нягт барьдаг.

VSEPR эдгээр хазайлтын чиглэлийг найдвартайгаар таамагладаг боловч яг хэмжээг нь биш. Асуулт дангар хостой молекулын өнцгийг асуувал хэмжсэн өгөгдөлгүй бол хамгийн тохиромжтой утгаас "бага зэрэг бага" гэж хариул.

Бодит жишээ: хлорын трифторид ба ксеноны тетрафторид

Хлорын трифторид ClF₃. Валентын электрон: 7 + 3(7) = 28. Гурван Cl–F ганц холбоо 6 электрон зарцуулж, гурван фторын октетийг гүйцээхэд 3 × 6 = 18, нийт 24. Үлдсэн 4 электрон хлор дээр хоёр дангар хос болно. Хлор гурван холбоо ба хоёр дангар хостой тул AX₃E₂, стерик тоо 5, электрон домэйны геометр гурвалжин бипирамид.

Хоёр дангар хос хоёулаа экваторын байрлалыг эзэлнэ. Ингэснээр нэг фтор экваторын хавтгайд, хоёр нь тэнхлэгийн байрлалд үлдэх тул атомууд T хэлбэр үүсгэнэ. Дангар хосууд тэнхлэгийн фторуудыг экваторынх руу түлхэх тул F–Cl–F өнцгүүд 90°-аас бага зэрэг бага. Гурван Cl–F холбооны диполь T хэлбэрт цуцлагдахгүй тул ClF₃ туйлтай.

Ксеноны тетрафторид XeF₄. Валентын электрон: 8 + 4(7) = 36. Дөрвөн Xe–F холбоо 8 электрон, фторын дангар хосууд 4 × 6 = 24 зарцуулж, нийт 32. Үлдсэн 4 электрон ксенон дээрх хоёр дангар хос. Дөрвөн холбоо ба хоёр дангар хостой ксенон AX₄E₂, стерик тоо 6, электрон домэйны геометр октаэдр.

Октаэдрт байрлал бүр эквивалент тул эхний дангар хос хаана ч очиж болно; хоёр дахь нь дангар хос–дангар хосын түлхэлцлийг багасгахын тулд яг эсрэг талд, 180°-д очно. Дөрвөн фтор нэг хавтгайд хөршүүдтэйгээ 90°-ын өнцгөөр оршино: дөрвөлжин хавтгай. Xe–F холбоо бүр туйлтай боловч эсрэг холбоонууд яг эсрэг чиглэлд заадаг тул диполь цуцлагдаж XeF₄ туйлгүй.

Холбооны диполийг нэмж молекулын туйлшралыг олох

Цахилгаан сөрөг чанар нь ялгаатай атомуудын хоорондох холбоо туйлтай бөгөөд илүү цахилгаан сөрөг атом дээр хэсэгчилсэн сөрөг цэнэг (δ−) оршино. Холбооны диполь бүр хэмжээ ба чиглэлтэй тул вектор мэт ажиллана. Молекулын дипольны момент нь бүх холбооны дипольын векторын нийлбэр бөгөөд ихэвчлэн дебайгаар (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m) тайлагнагддаг.

Төв атомын эргэн тойронд ижил холбоонууд тэгш хэмтэй байрлах үед холбооны диполь цуцлагдана. Энэ нь бүх X атом ижил үед AX₂ шугаман, AX₃ гурвалжин хавтгай, AX₄ тетраэдр, AX₅ гурвалжин бипирамид, AX₆ октаэдр молекулуудад, мөн дангар хосууд тэгш хэмтэй байрлаж холбоо бүр яг эсрэг талын ижил холбоог заадаг AX₄E₂ дөрвөлжин хавтгай ба AX₂E₃ шугаман хэлбэрүүдэд тохиолдоно. Хэлбэр ба орлуулагчдын бусад хослол ерөнхийдөө цэвэр диполь үлдээнэ.

Бодит харьцуулалт: хүхрийн давхар исэл ба хүхрийн гурвалсан исэл. SO₂ 6 + 2(6) = 18 валентын электронтой; түүний Льюисийн бүтэц хүхэр дээр хоёр холбоо үүсгэгч домэйн ба нэг дангар хос (AX₂E) байрлуулдаг тул молекул нугалсан. Хоёр S–O диполь хэсэгчлэн ижил чиглэлд заадаг тул нийлбэр нь тэг биш, SO₂ туйлтай. SO₃ 6 + 3(6) = 24 валентын электронтой, хүхэр дээр дангар хосгүй гурван холбоо үүсгэгч домэйнтой (AX₃) тул гурвалжин хавтгай. 120°-аар зайтай гурван тэнцүү диполь тэг нийлбэртэй тул холбоо бүр нь туйлтай ч SO₃ туйлгүй.

Хэлбэр ба туйлшралын түгээмэл алдаа

Ихэнх алдаа Льюисийн бүтцийг алгасахаас, эсвэл хуудас дээрх хавтгай зургийг бодит хэлбэр мэт уншихаас үүснэ. Хурдан дэг журам тэднийг барина: Льюисийн бүтцийг зур, төв атом дээрх домэйныг тоол, электрон домэйны геометрийг нэрлэ, молекулын хэлбэрийг нэрлэхийн тулд дангар хосуудыг хас, дараа нь холбооны дипольд гурван хэмжээстээр нэм.

Бодит загвар эсвэл нямбай шаантаг-тасархай зураг сүүлчийн алхамд тусална. Хэрэв молекулыг эргүүлж нэг холбооны дипольд эсрэг чиглэлд заах түнш байхгүй болгож чадвал молекул туйлтай. Хэрэв холбоо бүр эсрэг талын ижил холбоотой, эсвэл 120°-аар байрласан гурван холбоо шиг тэгш хэмтэй багцтай таарвал туйлгүй.

• Асуулт молекулын хэлбэр асуухад электрон домэйны геометрийг нэрлэх. Усны домэйн тетраэдр; хэлбэр нь нугалсан.
• Төв атом дээрх дангар хосуудыг мартаж NH₃-ийг алдаатайгаар гурвалжин хавтгай молекул болгох.
• Давхар эсвэл гурвалсан холбоог хоёр эсвэл гурван домэйн гэж тоолох.
• Холбооны диполь цуцлагдах эсэхийг шалгалгүй, холбоонууд нь туйлтай учраас молекул туйлтай гэж дүгнэх.
• Тэгш хэмийг хавтгай зургаас дүгнэх. CH₂Cl₂ цаасан дээр тэгш хэмтэй мэт харагдах боловч хоёр өөр төрлийн холбоотой тетраэдр тул туйлтай.
• Дангар хосуудыг гурвалжин бипирамидын тэнхлэгийн байрлалд тавих нь SF₄, ClF₃, XeF₂-д буруу хэлбэр өгдөг.