Gjeometria VSEPR dhe polariteti molekular

Numërimi i domeneve elektronike rreth një atomi qendror

VSEPR fillon nga një strukturë e saktë Lewis-i. Rreth atomit qendror, numëro domenet elektronike: çdo çift i lirë është një domen dhe çdo lidhje me një atom tjetër është një domen, qoftë e thjeshtë, e dyfishtë apo e trefishtë. Totali shpesh quhet numri steric. Një lidhje e dyfishtë numërohet një herë, sepse elektronet e saj zënë të njëjtën zonë të hapësirës mes dy atomeve.

Numri steric fikson gjeometrinë e domeneve elektronike, renditjen që i mban domenet sa më larg. Dy domene janë lineare (180°), tri janë trigonale planare (120°), katër janë tetraedrike (109.5°), pesë janë bipiramidale trigonale (90° dhe 120°) dhe gjashtë janë oktaedrike (90°).

Një etiketë e shkurtër e ndjek numërimin. Në shënimin AXₘEₙ, A është atomi qendror, m është numri i atomeve të lidhur X dhe n është numri i çifteve të lira E në atomin qendror. Uji është AX₂E₂: dy atome të lidhur dhe dy çifte të lira, numri steric 4.

Gjeometria e domeneve elektronike kundrejt formës molekulare

Çiftet e lira zënë hapësirë, por nuk janë atome, ndaj janë të padukshme në emrin e formës molekulare. Gjeometria molekulare përshkruan vetëm ku ndodhen atomet. Kur nuk ka çifte të lira te atomi qendror, dy gjeometritë janë të njëjta; kur ka çifte të lira, ato ndryshojnë.

Në një bipiramidë trigonale pozicionet nuk janë ekuivalente: tri pozicionet ekuatoriale janë 120° larg njëra-tjetrës dhe dy pozicionet aksiale janë 90° nga ekuatori. Çiftet e lira shkojnë së pari në pozicionet ekuatoriale, sepse një vend ekuatorial ka vetëm dy fqinjë në 90° ndërsa një vend aksial ka tre.

• Numri steric 3: AX₃ trigonale planare; AX₂E e përkulur, kënd nën 120°.
• Numri steric 4: AX₄ tetraedrike; AX₃E piramidale trigonale; AX₂E₂ e përkulur, kënde nën 109.5°.
• Numri steric 5: AX₅ bipiramidale trigonale; AX₄E lëkundëse (seesaw); AX₃E₂ në formë T; AX₂E₃ lineare.
• Numri steric 6: AX₆ oktaedrike; AX₅E piramidale katrore; AX₄E₂ planare katrore.

Pse çiftet e lira i ngushtojnë këndet e lidhjeve

Një çift i lirë mbahet vetëm nga një bërthamë, ndaj dendësia e tij elektronike përhapet më gjerë pranë atomit qendror se ajo e një çifti lidhës. Prandaj zmbrapsjet ndjekin radhën çift i lirë–çift i lirë > çift i lirë–çift lidhës > çift lidhës–çift lidhës, dhe çdo çift i lirë i shtuar i shtrydh lidhjet e mbetura më afër njëra-tjetrës.

Familja tetraedrike e tregon tendencën. Metani, CH₄, pa çifte të lira, ka kënde H–C–H prej 109.5°. Amoniaku, NH₃, me një çift të lirë, ka kënde H–N–H pak më të vogla. Uji, me dy çifte të lira, ka një kënd H–O–H prej 104.5°, vlerë që jepet te OpenStax Chemistry 2e. Lidhjet e shumëfishta kanë një efekt të ngjashëm, më të vogël, sepse një lidhje e dyfishtë mban më shumë dendësi elektronike se një e thjeshtë.

VSEPR e parashikon në mënyrë të besueshme drejtimin e këtyre devijimeve, por jo madhësinë e tyre të saktë. Kur një pyetje kërkon një kënd në një molekulë me çifte të lira, përgjigju "pak më i vogël se" vlera ideale, përveç nëse ke të dhëna të matura.

Shembuj të zgjidhur: trifluoruri i klorit dhe tetrafluoruri i ksenonit

Trifluorur klori, ClF₃. Elektrone valente: 7 + 3(7) = 28. Tri lidhje të thjeshta Cl–F përdorin 6 elektrone dhe plotësimi i tri okteteve të fluorit përdor 3 × 6 = 18, gjithsej 24. 4 elektronet e mbetura shkojnë te kloru si dy çifte të lira. Kloru ka tri lidhje dhe dy çifte të lira, ndaj është AX₃E₂ me numër steric 5 dhe gjeometri domenesh elektronike bipiramidale trigonale.

Të dy çiftet e lira zënë pozicione ekuatoriale. Kjo lë një fluor në planin ekuatorial dhe dy në pozicionet aksiale, ndaj atomet formojnë një formë T. Çiftet e lira i shtyjnë fluoret aksiale drejt atij ekuatorial, ndaj këndet F–Cl–F janë pak më të vogla se 90°. Tri dipolet e lidhjeve Cl–F nuk anulohen në formë T, ndaj ClF₃ është polar.

Tetrafluorur ksenoni, XeF₄. Elektrone valente: 8 + 4(7) = 36. Katër lidhje Xe–F përdorin 8 elektrone dhe çiftet e lira të fluorit përdorin 4 × 6 = 24, gjithsej 32. 4 elektronet e mbetura janë dy çifte të lira te ksenoni. Me katër lidhje dhe dy çifte të lira, ksenoni është AX₄E₂, numër steric 6, gjeometri domenesh elektronike oktaedrike.

Në një oktaedër çdo pozicion është ekuivalent, ndaj çifti i parë i lirë mund të shkojë kudo; i dyti shkon drejtpërdrejt përballë tij, 180° larg, për të minimizuar zmbrapsjen çift i lirë–çift i lirë. Katër fluoret shtrihen pastaj në një plan, në 90° me fqinjët e tyre: planare katrore. Çdo lidhje Xe–F është polare, por lidhjet përballë njëra-tjetrës tregojnë saktësisht në drejtime të kundërta, ndaj dipolet anulohen dhe XeF₄ është jopolar.

Mbledhja e dipoleve të lidhjeve për të gjetur polaritetin molekular

Një lidhje mes atomeve me elektronegativitet të ndryshëm është polare, me ngarkesë të pjesshme negative (δ−) te atomi më elektronegativ. Çdo dipol lidhjeje ka madhësi dhe drejtim, ndaj sillet si vektor. Momenti dipolar molekular është shuma vektoriale e të gjitha dipoleve të lidhjeve, zakonisht i raportuar në debaj (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dipolet e lidhjeve anulohen kur lidhje identike janë rregulluar në mënyrë simetrike rreth atomit qendror. Kjo ndodh për molekulat AX₂ lineare, AX₃ trigonale planare, AX₄ tetraedrike, AX₅ bipiramidale trigonale dhe AX₆ oktaedrike kur të gjithë atomet X janë të njëjtë, si dhe për format AX₄E₂ planare katrore dhe AX₂E₃ lineare, ku çiftet e lira janë rregulluar në mënyrë simetrike dhe çdo lidhje tregon drejtpërdrejt përballë një lidhjeje identike. Kombinimet e tjera të formës dhe zëvendësuesve përgjithësisht lënë një dipol neto.

Krahasim i zgjidhur: dioksidi dhe trioksidi i squfurit. SO₂ ka 6 + 2(6) = 18 elektrone valente; struktura e tij Lewis-i vendos dy domene lidhëse dhe një çift të lirë te squfuri (AX₂E), ndaj molekula është e përkulur. Dy dipolet S–O tregojnë pjesërisht në të njëjtin drejtim, shuma e tyre nuk është zero dhe SO₂ është polar. SO₃ ka 6 + 3(6) = 24 elektrone valente dhe tri domene lidhëse pa çift të lirë te squfuri (AX₃), ndaj është trigonal planar. Tri dipole të barabartë në 120° mblidhen në zero dhe SO₃ është jopolar edhe pse çdo lidhje në të është polare.

Gabime të zakonshme në formë dhe polaritet

Shumica e gabimeve vijnë nga anashkalimi i strukturës Lewis-i ose nga leximi i vizatimit të sheshtë në faqe sikur të ishte forma e vërtetë. Një rutinë e shpejtë i kap: vizato strukturën Lewis-i, numëro domenet te atomi qendror, emërto gjeometrinë e domeneve elektronike, hiq çiftet e lira për të emërtuar formën molekulare, pastaj mblidh dipolet e lidhjeve në tri përmasa.

Një model fizik ose një skicë e kujdesshme me pykë e vizë ndihmon në hapin e fundit. Nëse mund ta rrotullosh molekulën që një dipol lidhjeje të mos ketë partner që tregon në drejtimin e kundërt, molekula është polare. Nëse çdo lidhje përputhet me një lidhje identike në anën e kundërt, ose me një bashkësi simetrike si tri lidhje në 120°, ajo është jopolare.

• Emërtimi i gjeometrisë së domeneve elektronike kur pyetja kërkon formën molekulare. Domenet e ujit janë tetraedrike; forma e tij është e përkulur.
• Harrimi i çifteve të lira te atomi qendror, që e kthen NH₃ gabimisht në molekulë trigonale planare.
• Numërimi i një lidhjeje të dyfishtë ose të trefishtë si dy ose tri domene.
• Përfundimi se një molekulë është polare sepse lidhjet e saj janë polare, pa kontrolluar nëse dipolet anulohen.
• Gjykimi i simetrisë nga një vizatim i sheshtë. CH₂Cl₂ duket simetrik në letër, por është tetraedrik me dy lloje të ndryshme lidhjesh, ndaj është polar.
• Vendosja e çifteve të lira në pozicione aksiale të një bipiramide trigonale, çka jep formën e gabuar për SF₄, ClF₃ dhe XeF₂.