Geometri VSEPR dan Kekutuban Molekul

Mengira domain elektron di sekeliling atom pusat

VSEPR bermula daripada struktur Lewis yang betul. Di sekeliling atom pusat, kira domain elektron: setiap pasangan bebas ialah satu domain, dan setiap ikatan kepada atom lain ialah satu domain sama ada tunggal, ganda dua atau ganda tiga. Jumlahnya sering dipanggil nombor sterik. Ikatan ganda dua dikira sekali kerana elektronnya menduduki kawasan ruang yang sama antara dua atom.

Nombor sterik menentukan geometri domain elektron, susunan yang memastikan domain sejauh mungkin. Dua domain ialah linear (180°), tiga ialah satah trigon (120°), empat ialah tetrahedron (109.5°), lima ialah bipiramid trigon (90° dan 120°), dan enam ialah oktahedron (90°).

Label ringkas menjejak kiraan itu. Dalam tatatanda AXₘEₙ, A ialah atom pusat, m ialah bilangan atom terikat X, dan n ialah bilangan pasangan bebas E pada atom pusat. Air ialah AX₂E₂: dua atom terikat dan dua pasangan bebas, nombor sterik 4.

Geometri domain elektron berbanding bentuk molekul

Pasangan bebas mengambil ruang, tetapi ia bukan atom, jadi ia tidak kelihatan dalam nama bentuk molekul. Geometri molekul hanya menerangkan di mana atom berada. Apabila tiada pasangan bebas pada atom pusat, kedua-dua geometri adalah sama; apabila ada pasangan bebas, ia berbeza.

Dalam bipiramid trigon, kedudukannya tidak setara: tiga kedudukan khatulistiwa berjarak 120° dan dua kedudukan paksi berjarak 90° daripada khatulistiwa. Pasangan bebas pergi ke kedudukan khatulistiwa dahulu, kerana tapak khatulistiwa hanya mempunyai dua jiran pada 90° manakala tapak paksi mempunyai tiga.

• Nombor sterik 3: AX₃ satah trigon; AX₂E bengkok, sudut di bawah 120°.
• Nombor sterik 4: AX₄ tetrahedron; AX₃E piramid trigon; AX₂E₂ bengkok, sudut di bawah 109.5°.
• Nombor sterik 5: AX₅ bipiramid trigon; AX₄E jongkang-jongket; AX₃E₂ berbentuk T; AX₂E₃ linear.
• Nombor sterik 6: AX₆ oktahedron; AX₅E piramid segi empat sama; AX₄E₂ satah segi empat sama.

Mengapa pasangan bebas memampatkan sudut ikatan

Pasangan bebas hanya dipegang oleh satu nukleus, jadi ketumpatan elektronnya tersebar lebih luas berhampiran atom pusat berbanding pasangan ikatan. Tolakan oleh itu mengikut tertib pasangan bebas–pasangan bebas > pasangan bebas–pasangan ikatan > pasangan ikatan–pasangan ikatan, dan setiap pasangan bebas tambahan menghimpit ikatan yang tinggal lebih rapat.

Keluarga tetrahedron menunjukkan aliran ini. Metana, CH₄, tanpa pasangan bebas, mempunyai sudut H–C–H 109.5°. Ammonia, NH₃, dengan satu pasangan bebas, mempunyai sudut H–N–H yang sedikit lebih kecil. Air, dengan dua pasangan bebas, mempunyai sudut H–O–H 104.5°, nilai yang diberikan dalam OpenStax Chemistry 2e. Ikatan berganda mempunyai kesan yang serupa tetapi lebih kecil, kerana ikatan ganda dua memuatkan lebih banyak ketumpatan elektron daripada ikatan tunggal.

VSEPR meramalkan arah sisihan ini dengan boleh dipercayai, tetapi bukan saiz tepatnya. Apabila soalan meminta sudut dalam molekul yang mempunyai pasangan bebas, jawab "sedikit kurang daripada" nilai unggul melainkan anda mempunyai data yang diukur.

Contoh penyelesaian: klorin trifluorida dan xenon tetrafluorida

Klorin trifluorida, ClF₃. Elektron valens: 7 + 3(7) = 28. Tiga ikatan tunggal Cl–F menggunakan 6 elektron, dan melengkapkan tiga oktet fluorin menggunakan 3 × 6 = 18, jadi 24. Baki 4 elektron diletakkan pada klorin sebagai dua pasangan bebas. Klorin mempunyai tiga ikatan dan dua pasangan bebas, jadi ia AX₃E₂ dengan nombor sterik 5 dan geometri domain elektron bipiramid trigon.

Kedua-dua pasangan bebas menduduki kedudukan khatulistiwa. Itu meninggalkan satu fluorin pada satah khatulistiwa dan dua pada kedudukan paksi, jadi atom-atom itu membentuk bentuk T. Pasangan bebas menolak fluorin paksi ke arah fluorin khatulistiwa, jadi sudut F–Cl–F sedikit kurang daripada 90°. Tiga dwikutub ikatan Cl–F tidak terbatal dalam bentuk T, jadi ClF₃ berkutub.

Xenon tetrafluorida, XeF₄. Elektron valens: 8 + 4(7) = 36. Empat ikatan Xe–F menggunakan 8 elektron dan pasangan bebas fluorin menggunakan 4 × 6 = 24, jadi 32. Baki 4 elektron ialah dua pasangan bebas pada xenon. Dengan empat ikatan dan dua pasangan bebas, xenon ialah AX₄E₂, nombor sterik 6, geometri domain elektron oktahedron.

Dalam oktahedron setiap kedudukan adalah setara, jadi pasangan bebas pertama boleh pergi ke mana-mana; yang kedua pergi tepat bertentangan dengannya, 180° jauhnya, untuk meminimumkan tolakan pasangan bebas–pasangan bebas. Empat fluorin kemudian terletak pada satu satah dengan jarak 90° daripada jirannya: satah segi empat sama. Setiap ikatan Xe–F berkutub, tetapi ikatan yang bertentangan menghala ke arah yang betul-betul berlawanan, jadi dwikutub terbatal dan XeF₄ tidak berkutub.

Menambah dwikutub ikatan untuk mencari kekutuban molekul

Ikatan antara atom yang berlainan keelektronegatifan adalah berkutub, dengan cas negatif separa (δ−) pada atom yang lebih elektronegatif. Setiap dwikutub ikatan mempunyai saiz dan arah, jadi ia berkelakuan seperti vektor. Momen dwikutub molekul ialah hasil tambah vektor semua dwikutub ikatan, biasanya dilaporkan dalam debye (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dwikutub ikatan terbatal apabila ikatan yang serupa disusun secara simetri di sekeliling atom pusat. Itu berlaku bagi molekul AX₂ linear, AX₃ satah trigon, AX₄ tetrahedron, AX₅ bipiramid trigon dan AX₆ oktahedron apabila semua atom X adalah sama, dan juga bagi bentuk AX₄E₂ satah segi empat sama dan AX₂E₃ linear, yang pasangan bebasnya disusun secara simetri dan setiap ikatan menghala tepat bertentangan dengan ikatan yang serupa. Gabungan bentuk dan penukarganti yang lain secara amnya meninggalkan dwikutub bersih.

Perbandingan penyelesaian: sulfur dioksida dan sulfur trioksida. SO₂ mempunyai 6 + 2(6) = 18 elektron valens; struktur Lewisnya meletakkan dua domain ikatan dan satu pasangan bebas pada sulfur (AX₂E), jadi molekul itu bengkok. Kedua-dua dwikutub S–O menghala separa ke arah yang sama, hasil tambahnya bukan sifar, dan SO₂ berkutub. SO₃ mempunyai 6 + 3(6) = 24 elektron valens dan tiga domain ikatan tanpa pasangan bebas pada sulfur (AX₃), jadi ia satah trigon. Tiga dwikutub yang sama berjarak 120° berjumlah sifar, dan SO₃ tidak berkutub walaupun setiap ikatan di dalamnya berkutub.

Kesilapan lazim tentang bentuk dan kekutuban

Kebanyakan kesilapan datang daripada melangkau struktur Lewis atau daripada membaca lukisan rata pada halaman seolah-olah ia bentuk sebenar. Rutin pantas menangkapnya: lukis struktur Lewis, kira domain pada atom pusat, namakan geometri domain elektron, buang pasangan bebas untuk menamakan bentuk molekul, kemudian tambah dwikutub ikatan dalam tiga dimensi.

Model fizikal atau lakaran baji-dan-sengkang yang teliti membantu dalam langkah terakhir. Jika anda boleh memutar molekul supaya satu dwikutub ikatan tidak mempunyai pasangan yang menghala ke arah bertentangan, molekul itu berkutub. Jika setiap ikatan dipadankan oleh ikatan yang serupa di sebelah bertentangan, atau oleh set simetri seperti tiga ikatan pada 120°, ia tidak berkutub.

• Menamakan geometri domain elektron apabila soalan meminta bentuk molekul. Domain air ialah tetrahedron; bentuknya bengkok.
• Terlupa pasangan bebas pada atom pusat, yang tersilap menjadikan NH₃ molekul satah trigon.
• Mengira ikatan ganda dua atau ganda tiga sebagai dua atau tiga domain.
• Membuat kesimpulan bahawa molekul berkutub kerana ikatannya berkutub, tanpa menyemak sama ada dwikutub terbatal.
• Menilai simetri daripada lukisan rata. CH₂Cl₂ kelihatan simetri di atas kertas tetapi ialah tetrahedron dengan dua jenis ikatan yang berbeza, jadi ia berkutub.
• Meletakkan pasangan bebas pada kedudukan paksi bipiramid trigon, yang memberikan bentuk yang salah bagi SF₄, ClF₃ dan XeF₂.