Geometria VSEPR a polarita molekúl

Počítanie elektrónových domén okolo centrálneho atómu

VSEPR vychádza zo správnej Lewisovej štruktúry. Okolo centrálneho atómu spočítajte elektrónové domény: každý voľný pár je jedna doména a každá väzba na iný atóm je jedna doména, či je jednoduchá, dvojitá alebo trojitá. Celkový počet sa často nazýva stérické číslo. Dvojitá väzba sa počíta raz, pretože jej elektróny zaberajú tú istú oblasť priestoru medzi dvoma atómami.

Stérické číslo určuje geometriu elektrónových domén, usporiadanie, ktoré drží domény čo najďalej od seba. Dve domény sú lineárne (180°), tri sú trigonálne planárne (120°), štyri sú tetraedrické (109.5°), päť je trigonálne bipyramidálnych (90° a 120°) a šesť oktaedrických (90°).

Krátke označenie pomáha sledovať počet. V zápise AXₘEₙ je A centrálny atóm, m je počet viazaných atómov X a n je počet voľných párov E na centrálnom atóme. Voda je AX₂E₂: dva viazané atómy a dva voľné páry, stérické číslo 4.

Geometria elektrónových domén verzus tvar molekuly

Voľné páry zaberajú miesto, ale nie sú to atómy, takže sú v názve tvaru molekuly neviditeľné. Molekulová geometria opisuje iba to, kde sú atómy. Keď na centrálnom atóme nie sú voľné páry, obe geometrie sú rovnaké; keď voľné páry sú, líšia sa.

V trigonálnej bipyramíde nie sú polohy rovnocenné: tri ekvatoriálne polohy sú od seba vzdialené 120° a dve axiálne polohy sú 90° od rovníka. Voľné páry idú najprv na ekvatoriálne polohy, pretože ekvatoriálne miesto má iba dvoch susedov pod 90°, kým axiálne miesto má troch.

• Stérické číslo 3: AX₃ trigonálny planárny; AX₂E lomený, uhol pod 120°.
• Stérické číslo 4: AX₄ tetraedrický; AX₃E trigonálny pyramidálny; AX₂E₂ lomený, uhly pod 109.5°.
• Stérické číslo 5: AX₅ trigonálny bipyramidálny; AX₄E hojdačka; AX₃E₂ tvar T; AX₂E₃ lineárny.
• Stérické číslo 6: AX₆ oktaedrický; AX₅E štvorcový pyramidálny; AX₄E₂ štvorcový planárny.

Prečo voľné páry stláčajú väzbové uhly

Voľný pár drží iba jedno jadro, takže jeho elektrónová hustota sa pri centrálnom atóme rozprestiera širšie než pri väzbovom páre. Odpudzovanie preto sleduje poradie voľný pár–voľný pár > voľný pár–väzbový pár > väzbový pár–väzbový pár a každý pridaný voľný pár stláča zvyšné väzby bližšie k sebe.

Tetraedrická rodina ukazuje tento trend. Metán, CH₄, bez voľných párov, má uhly H–C–H 109.5°. Amoniak, NH₃, s jedným voľným párom, má uhly H–N–H o niečo menšie. Voda, s dvoma voľnými pármi, má uhol H–O–H 104.5°, čo je hodnota uvedená v OpenStax Chemistry 2e. Násobné väzby majú podobný, menší účinok, pretože dvojitá väzba drží viac elektrónovej hustoty než jednoduchá.

VSEPR spoľahlivo predpovedá smer týchto odchýlok, nie však ich presnú veľkosť. Keď sa otázka pýta na uhol v molekule s voľnými pármi, odpovedzte „o niečo menší než“ ideálna hodnota, ak nemáte namerané údaje.

Riešené príklady: trifluorid chlóru a tetrafluorid xenónu

Trifluorid chlóru, ClF₃. Valenčné elektróny: 7 + 3(7) = 28. Tri jednoduché väzby Cl–F spotrebujú 6 elektrónov a doplnenie troch oktetov fluóru spotrebuje 3 × 6 = 18, spolu 24. Zostávajúce 4 elektróny idú na chlór ako dva voľné páry. Chlór má tri väzby a dva voľné páry, je teda AX₃E₂ so stérickým číslom 5 a trigonálnou bipyramidálnou geometriou elektrónových domén.

Oba voľné páry zaujmú ekvatoriálne polohy. Tým ostáva jeden fluór v ekvatoriálnej rovine a dva v axiálnych polohách, takže atómy tvoria tvar T. Voľné páry tlačia axiálne fluóry smerom k ekvatoriálnemu, takže uhly F–Cl–F sú o niečo menšie než 90°. Tri väzbové dipóly Cl–F sa v tvare T nerušia, takže ClF₃ je polárny.

Tetrafluorid xenónu, XeF₄. Valenčné elektróny: 8 + 4(7) = 36. Štyri väzby Xe–F spotrebujú 8 elektrónov a voľné páry fluóru 4 × 6 = 24, spolu 32. Zostávajúce 4 elektróny sú dva voľné páry na xenóne. So štyrmi väzbami a dvoma voľnými pármi je xenón AX₄E₂, stérické číslo 6, oktaedrická geometria elektrónových domén.

V oktaédri je každá poloha rovnocenná, takže prvý voľný pár môže ísť kamkoľvek; druhý ide priamo oproti nemu, o 180° ďalej, aby sa minimalizovalo odpudzovanie voľný pár–voľný pár. Štyri fluóry potom ležia v jednej rovine pod 90° k svojim susedom: štvorcový planárny tvar. Každá väzba Xe–F je polárna, ale protiľahlé väzby smerujú presne opačne, takže sa dipóly rušia a XeF₄ je nepolárny.

Sčítanie väzbových dipólov na určenie polarity molekuly

Väzba medzi atómami s rôznou elektronegativitou je polárna, s čiastkovým záporným nábojom (δ−) na elektronegatívnejšom atóme. Každý väzbový dipól má veľkosť a smer, takže sa správa ako vektor. Dipólový moment molekuly je vektorový súčet všetkých väzbových dipólov, zvyčajne uvádzaný v debyoch (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Väzbové dipóly sa rušia, keď sú rovnaké väzby usporiadané symetricky okolo centrálneho atómu. To nastáva pri molekulách AX₂ lineárnych, AX₃ trigonálnych planárnych, AX₄ tetraedrických, AX₅ trigonálnych bipyramidálnych a AX₆ oktaedrických, keď sú všetky atómy X rovnaké, a tiež pri tvaroch AX₄E₂ štvorcový planárny a AX₂E₃ lineárny, kde sú voľné páry usporiadané symetricky a každá väzba smeruje priamo oproti rovnakej väzbe. Iné kombinácie tvaru a substituentov zvyčajne zanechávajú čistý dipól.

Porovnanie na príklade: oxid siričitý a oxid sírový. SO₂ má 6 + 2(6) = 18 valenčných elektrónov; jeho Lewisova štruktúra dáva síre dve väzbové domény a jeden voľný pár (AX₂E), takže molekula je lomená. Dva dipóly S–O smerujú čiastočne rovnakým smerom, ich súčet nie je nulový a SO₂ je polárny. SO₃ má 6 + 3(6) = 24 valenčných elektrónov a tri väzbové domény bez voľného páru na síre (AX₃), takže je trigonálny planárny. Tri rovnaké dipóly vo vzájomnom odstupe 120° dávajú súčet nula a SO₃ je nepolárny, hoci každá väzba v ňom je polárna.

Časté chyby v tvare a polarite

Väčšina chýb vzniká vynechaním Lewisovej štruktúry alebo čítaním plochého výkresu na stránke, ako by to bol skutočný tvar. Rýchla rutina ich zachytí: nakreslite Lewisovu štruktúru, spočítajte domény na centrálnom atóme, pomenujte geometriu elektrónových domén, odstráňte voľné páry a pomenujte tvar molekuly, potom sčítajte väzbové dipóly v troch rozmeroch.

Pri poslednom kroku pomôže fyzikálny model alebo starostlivý náčrt s plnými a prerušovanými klinmi. Ak môžete molekulu otočiť tak, že jeden väzbový dipól nemá partnera smerujúceho opačne, molekula je polárna. Ak je každá väzba vyrovnaná rovnakou väzbou na opačnej strane alebo symetrickou sadou, ako tri väzby pod 120°, je nepolárna.

• Pomenovanie geometrie elektrónových domén, keď otázka žiada tvar molekuly. Domény vody sú tetraedrické; jej tvar je lomený.
• Zabudnutie voľných párov na centrálnom atóme, čo z NH₃ omylom urobí trigonálnu planárnu molekulu.
• Počítanie dvojitej alebo trojitej väzby ako dvoch alebo troch domén.
• Záver, že molekula je polárna, pretože jej väzby sú polárne, bez kontroly, či sa dipóly rušia.
• Posudzovanie symetrie z plochého výkresu. CH₂Cl₂ vyzerá na papieri symetricky, ale je tetraedrický s dvoma rôznymi druhmi väzieb, takže je polárny.
• Umiestnenie voľných párov do axiálnych polôh trigonálnej bipyramídy, čo dáva nesprávny tvar pre SF₄, ClF₃ a XeF₂.