VSEPR геометрија и поларност молекула

Бројање електронских домена око централног атома

VSEPR почиње од исправне Луисове структуре. Око централног атома пребројте електронске домене: сваки слободни пар је један домен, а свака веза са другим атомом је један домен без обзира да ли је проста, двострука или трострука. Укупан број се често назива стерни број. Двострука веза се рачуна једном јер њени електрони заузимају исту област простора између два атома.

Стерни број одређује геометрију електронских домена, распоред који држи домене најдаље један од другог. Два домена су линеарна (180°), три су тригонално планарна (120°), четири су тетраедарска (109.5°), пет су тригонално-бипирамидална (90° и 120°), а шест су октаедарска (90°).

Кратка ознака прати бројање. У AXₘEₙ ознаци, A је централни атом, m је број везаних атома X, а n је број слободних парова E на централном атому. Вода је AX₂E₂: два везана атома и два слободна пара, стерни број 4.

Геометрија електронских домена наспрам облика молекула

Слободни парови заузимају простор, али нису атоми, па су невидљиви у називу облика молекула. Молекулска геометрија описује само где се атоми налазе. Када на централном атому нема слободних парова, обе геометрије су исте; када слободних парова има, оне се разликују.

У тригоналној бипирамиди положаји нису еквивалентни: три екваторијална положаја су на 120° један од другог, а два аксијална положаја су на 90° од екватора. Слободни парови прво иду на екваторијалне положаје, јер екваторијално место има само два суседа на 90°, док аксијално место има три.

• Стерни број 3: AX₃ тригонално планарна; AX₂E угаона, угао испод 120°.
• Стерни број 4: AX₄ тетраедарска; AX₃E тригонално пирамидална; AX₂E₂ угаона, углови испод 109.5°.
• Стерни број 5: AX₅ тригонално бипирамидална; AX₄E облик љуљашке; AX₃E₂ Т-облик; AX₂E₃ линеарна.
• Стерни број 6: AX₆ октаедарска; AX₅E квадратно пирамидална; AX₄E₂ квадратно планарна.

Зашто слободни парови сабијају углове веза

Слободни пар држи само једно језгро, па се његова електронска густина шири више у близини централног атома него код везујућег пара. Одбијања зато прате редослед слободни пар–слободни пар > слободни пар–везујући пар > везујући пар–везујући пар, и сваки додати слободни пар приљубљује преостале везе једну уз другу.

Тетраедарска породица показује тренд. Метан, CH₄, без слободних парова, има углове H–C–H од 109.5°. Амонијак, NH₃, са једним слободним паром, има углове H–N–H нешто мање. Вода, са два слободна пара, има угао H–O–H од 104.5°, вредност дату у OpenStax Chemistry 2e. Вишеструке везе имају сличан, мањи ефекат, јер двострука веза садржи већу електронску густину од просте.

VSEPR поуздано предвиђа смер ових одступања, али не и њихову тачну величину. Када питање тражи угао у молекулу са слободним паровима, одговорите „нешто мањи од“ идеалне вредности, осим ако немате измерене податке.

Решени примери: хлор-трифлуорид и ксенон-тетрафлуорид

Хлор-трифлуорид, ClF₃. Валентни електрони: 7 + 3(7) = 28. Три просте везе Cl–F користе 6 електрона, а допуна три октета флуора користи 3 × 6 = 18, укупно 24. Преостала 4 електрона иду на хлор као два слободна пара. Хлор има три везе и два слободна пара, па је AX₃E₂ са стерним бројем 5 и тригонално-бипирамидалном геометријом електронских домена.

Оба слободна пара заузимају екваторијалне положаје. Тако остаје један флуор у екваторијалној равни и два у аксијалним положајима, па атоми граде Т-облик. Слободни парови гурају аксијалне флуоре ка екваторијалном, па су углови F–Cl–F нешто мањи од 90°. Три дипола веза Cl–F се у Т-облику не поништавају, па је ClF₃ поларан.

Ксенон-тетрафлуорид, XeF₄. Валентни електрони: 8 + 4(7) = 36. Четири везе Xe–F користе 8 електрона, а слободни парови флуора користе 4 × 6 = 24, укупно 32. Преостала 4 електрона су два слободна пара на ксенону. Са четири везе и два слободна пара, ксенон је AX₄E₂, стерни број 6, октаедарска геометрија електронских домена.

У октаедру је сваки положај еквивалентан, па први слободни пар може отићи било где; други иде директно насупрот њему, на 180°, да би се одбијање слободни пар–слободни пар свело на минимум. Четири флуора тада леже у једној равни на 90° од својих суседа: квадратно планарно. Свака веза Xe–F је поларна, али супротне везе показују у тачно супротним смеровима, па се диполи поништавају и XeF₄ је неполаран.

Сабирање дипола веза ради налажења поларности молекула

Веза између атома различите електронегативности је поларна, са парцијалним негативним наелектрисањем (δ−) на електронегативнијем атому. Сваки дипол везе има величину и смер, па се понаша као вектор. Молекулски диполни момент је векторски збир свих дипола веза, обично наведен у дебајима (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Диполи веза се поништавају када су идентичне везе симетрично распоређене око централног атома. То се дешава код линеарних AX₂, тригонално планарних AX₃, тетраедарских AX₄, тригонално-бипирамидалних AX₅ и октаедарских AX₆ молекула када су сви атоми X исти, а такође и код квадратно планарних AX₄E₂ и линеарних AX₂E₃ облика, где су слободни парови симетрично распоређени и свака веза показује директно насупрот идентичној вези. Друге комбинације облика и супституената углавном остављају нето дипол.

Решено поређење: сумпор-диоксид и сумпор-триоксид. SO₂ има 6 + 2(6) = 18 валентних електрона; његова Луисова структура ставља два везујућа домена и један слободни пар на сумпор (AX₂E), па је молекул угаон. Два дипола S–O делимично показују у истом смеру, њихов збир није нула, и SO₂ је поларан. SO₃ има 6 + 3(6) = 24 валентна електрона и три везујућа домена без слободног пара на сумпору (AX₃), па је тригонално планаран. Три једнака дипола на 120° дају збир нула, и SO₃ је неполаран иако је свака веза у њему поларна.

Уобичајене грешке са обликом и поларношћу

Већина грешака потиче од прескакања Луисове структуре или од читања равног цртежа на страници као да је стварни облик. Кратка рутина их хвата: нацртајте Луисову структуру, пребројте домене на централном атому, именујте геометрију електронских домена, уклоните слободне парове да именујете облик молекула, а затим саберите диполе веза у три димензије.

Физички модел или пажљива скица са клиновима и цртицама помаже у последњем кораку. Ако можете да ротирате молекул тако да један дипол везе нема партнера који показује у супротном смеру, молекул је поларан. Ако је свака веза упарена са идентичном везом на супротној страни, или са симетричним скупом као што су три везе на 120°, неполаран је.

• Именовање геометрије електронских домена када питање тражи облик молекула. Домени воде су тетраедарски; њен облик је угаон.
• Заборављање слободних парова на централном атому, што NH₃ грешком претвара у тригонално планаран молекул.
• Рачунање двоструке или троструке везе као два или три домена.
• Закључак да је молекул поларан зато што су му везе поларне, без провере да ли се диполи поништавају.
• Процењивање симетрије по равном цртежу. CH₂Cl₂ на папиру изгледа симетрично, али је тетраедаран са две различите врсте веза, па је поларан.
• Постављање слободних парова на аксијалне положаје тригоналне бипирамиде, што даје погрешан облик за SF₄, ClF₃ и XeF₂.