Geometrija VSEPR in polarnost molekul

Štetje elektronskih domen okoli osrednjega atoma

VSEPR izhaja iz pravilne Lewisove strukture. Okoli osrednjega atoma preštejte elektronske domene: vsak prosti elektronski par je ena domena in vsaka vez z drugim atomom je ena domena, ne glede na to, ali je enojna, dvojna ali trojna. Vsota se pogosto imenuje sterično število. Dvojna vez šteje enkrat, ker njeni elektroni zasedajo isto področje prostora med obema atomoma.

Sterično število določa geometrijo elektronskih domen, razporeditev, ki ohranja domene najdlje narazen. Dve domeni sta linearni (180°), tri so trikotne ravninske (120°), štiri so tetraedrske (109.5°), pet jih je trigonalno bipiramidnih (90° in 120°), šest pa oktaedrskih (90°).

Kratka oznaka spremlja štetje. V zapisu AXₘEₙ je A osrednji atom, m je število vezanih atomov X in n je število prostih elektronskih parov E na osrednjem atomu. Voda je AX₂E₂: dva vezana atoma in dva prosta elektronska para, sterično število 4.

Geometrija elektronskih domen v primerjavi z obliko molekule

Prosti elektronski pari zavzamejo prostor, vendar niso atomi, zato so v imenu oblike molekule nevidni. Geometrija molekule opisuje samo, kje so atomi. Kadar na osrednjem atomu ni prostih elektronskih parov, sta obe geometriji enaki; kadar so prosti elektronski pari, se razlikujeta.

V trigonalni bipiramidi položaji niso enakovredni: trije ekvatorialni položaji so med seboj oddaljeni 120°, dva aksialna položaja pa sta 90° od ekvatorja. Prosti elektronski pari gredo najprej na ekvatorialne položaje, ker ima ekvatorialno mesto le dva soseda pod 90°, aksialno pa tri.

• Sterično število 3: AX₃ trikotna ravninska; AX₂E kotna, kot pod 120°.
• Sterično število 4: AX₄ tetraedrska; AX₃E trikotna piramidalna; AX₂E₂ kotna, koti pod 109.5°.
• Sterično število 5: AX₅ trigonalno bipiramidna; AX₄E oblika gugalnice; AX₃E₂ T-oblika; AX₂E₃ linearna.
• Sterično število 6: AX₆ oktaedrska; AX₅E kvadratna piramidalna; AX₄E₂ kvadratna ravninska.

Zakaj prosti elektronski pari stisnejo vezne kote

Prosti elektronski par drži le eno jedro, zato se njegova elektronska gostota blizu osrednjega atoma razprostira širše kot pri veznem paru. Odboji zato sledijo vrstnemu redu prosti par–prosti par > prosti par–vezni par > vezni par–vezni par, vsak dodani prosti par pa preostale vezi stisne bližje skupaj.

Tetraedrska družina kaže ta trend. Metan, CH₄, brez prostih parov, ima kote H–C–H 109.5°. Amoniak, NH₃, z enim prostim parom, ima kote H–N–H nekoliko manjše. Voda, z dvema prostima paroma, ima kot H–O–H 104.5°, vrednost, podano v OpenStax Chemistry 2e. Večkratne vezi imajo podoben, manjši učinek, ker dvojna vez drži več elektronske gostote kot enojna.

VSEPR zanesljivo napove smer teh odstopanj, ne pa njihove natančne velikosti. Kadar vprašanje zahteva kot v molekuli s prostimi pari, odgovorite »nekoliko manj kot« idealna vrednost, razen če imate izmerjene podatke.

Rešena primera: klorov trifluorid in ksenonov tetrafluorid

Klorov trifluorid, ClF₃. Valenčni elektroni: 7 + 3(7) = 28. Tri enojne vezi Cl–F porabijo 6 elektronov, dopolnitev treh oktetov fluora porabi 3 × 6 = 18, skupaj 24. Preostali 4 elektroni gredo na klor kot dva prosta para. Klor ima tri vezi in dva prosta para, zato je AX₃E₂ s steričnim številom 5 in trigonalno bipiramidno geometrijo elektronskih domen.

Oba prosta para zasedeta ekvatorialna položaja. Tako ostane en fluor v ekvatorialni ravnini in dva v aksialnih položajih, zato atomi tvorijo obliko črke T. Prosta para potisneta aksialna fluora proti ekvatorialnemu, zato so koti F–Cl–F nekoliko manjši od 90°. Trije vezni dipoli Cl–F se v obliki T ne izničijo, zato je ClF₃ polaren.

Ksenonov tetrafluorid, XeF₄. Valenčni elektroni: 8 + 4(7) = 36. Štiri vezi Xe–F porabijo 8 elektronov, prosti pari fluora pa 4 × 6 = 24, skupaj 32. Preostali 4 elektroni so dva prosta para na ksenonu. S štirimi vezmi in dvema prostima paroma je ksenon AX₄E₂, sterično število 6, oktaedrska geometrija elektronskih domen.

V oktaedru so vsi položaji enakovredni, zato lahko prvi prosti par gre kamor koli; drugi gre neposredno nasproti, 180° stran, da se zmanjša odboj med prostima paroma. Štirje fluori nato ležijo v eni ravnini pod 90° glede na sosede: kvadratna ravninska oblika. Vsaka vez Xe–F je polarna, vendar nasprotni vezi kažeta v natanko nasprotni smeri, zato se dipoli izničijo in XeF₄ je nepolaren.

Seštevanje veznih dipolov za polarnost molekule

Vez med atomoma različne elektronegativnosti je polarna, z delnim negativnim nabojem (δ−) na bolj elektronegativnem atomu. Vsak vezni dipol ima velikost in smer, zato se obnaša kot vektor. Dipolni moment molekule je vektorska vsota vseh veznih dipolov, običajno podan v debyih (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Vezni dipoli se izničijo, kadar so enake vezi simetrično razporejene okoli osrednjega atoma. To velja za molekule AX₂ linearne, AX₃ trikotne ravninske, AX₄ tetraedrske, AX₅ trigonalno bipiramidne in AX₆ oktaedrske, kadar so vsi atomi X enaki, pa tudi za oblike AX₄E₂ kvadratno ravninsko in AX₂E₃ linearno, kjer so prosti pari simetrično razporejeni in vsaka vez kaže neposredno nasproti enake vezi. Druge kombinacije oblike in substituentov na splošno pustijo neto dipol.

Rešena primerjava: žveplov dioksid in žveplov trioksid. SO₂ ima 6 + 2(6) = 18 valenčnih elektronov; njegova Lewisova struktura postavi na žveplo dve vezni domeni in en prosti par (AX₂E), zato je molekula kotna. Oba dipola S–O kažeta delno v isto smer, njuna vsota ni nič in SO₂ je polaren. SO₃ ima 6 + 3(6) = 24 valenčnih elektronov in tri vezne domene brez prostega para na žveplu (AX₃), zato je trikotna ravninska. Trije enaki dipoli pod 120° se seštejejo v nič, SO₃ pa je nepolaren, čeprav je vsaka vez v njem polarna.

Pogoste napake pri obliki in polarnosti

Večina napak izhaja iz izpuščanja Lewisove strukture ali iz branja ploske risbe na strani, kot da bi bila prava oblika. Hiter postopek jih ujame: narišite Lewisovo strukturo, preštejte domene na osrednjem atomu, poimenujte geometrijo elektronskih domen, odstranite proste pare, da poimenujete obliko molekule, nato seštejte vezne dipole v treh dimenzijah.

Fizični model ali skrbna skica s klini in črtkanimi črtami pomaga pri zadnjem koraku. Če lahko molekulo zavrtite tako, da en vezni dipol nima para, ki bi kazal v nasprotno smer, je molekula polarna. Če je vsaka vez usklajena z enako vezjo na nasprotni strani ali s simetričnim nizom, kot so tri vezi pod 120°, je nepolarna.

• Poimenovanje geometrije elektronskih domen, ko vprašanje zahteva obliko molekule. Domene vode so tetraedrske; njena oblika je kotna.
• Pozaba prostih parov na osrednjem atomu, zaradi česar NH₃ pomotoma postane trikotna ravninska molekula.
• Štetje dvojne ali trojne vezi kot dveh ali treh domen.
• Sklep, da je molekula polarna, ker so njene vezi polarne, ne da bi preverili, ali se dipoli izničijo.
• Presojanje simetrije iz ploske risbe. CH₂Cl₂ je na papirju videti simetričen, vendar je tetraedrski z dvema različnima vrstama vezi, zato je polaren.
• Nameščanje prostih parov v aksialne položaje trigonalne bipiramide, kar da napačno obliko za SF₄, ClF₃ in XeF₂.