Jiometri ya VSEPR na Ukanda wa Molekuli

Kuhesabu vikoa vya elektroni kuzunguka atomi ya kati

VSEPR huanza kutoka kwa muundo sahihi wa Lewis. Kuzunguka atomi ya kati, hesabu vikoa vya elektroni: kila jozi pweke ni kikoa kimoja, na kila kifungo kwa atomi nyingine ni kikoa kimoja iwe cha pekee, maradufu au mara tatu. Jumla mara nyingi huitwa namba ya steriki. Kifungo maradufu kinahesabiwa mara moja kwa sababu elektroni zake zinakalia eneo lile lile la nafasi kati ya atomi mbili.

Namba ya steriki huweka jiometri ya kikoa cha elektroni, mpangilio unaoweka vikoa mbali zaidi. Vikoa viwili ni vya mstari (180°), vitatu ni vya pembetatu bapa (120°), vinne ni vya tetrahedroni (109.5°), vitano ni vya bipiramidi ya pembetatu (90° na 120°), na sita ni vya oktahedroni (90°).

Lebo fupi hufuatilia hesabu. Katika nukuu ya AXₘEₙ, A ni atomi ya kati, m ni idadi ya atomi X zilizounganishwa, na n ni idadi ya jozi pweke E kwenye atomi ya kati. Maji ni AX₂E₂: atomi mbili zilizounganishwa na jozi pweke mbili, namba ya steriki 4.

Jiometri ya kikoa cha elektroni dhidi ya umbo la molekuli

Jozi pweke huchukua nafasi, lakini si atomi, kwa hivyo hazionekani katika jina la umbo la molekuli. Jiometri ya molekuli inaeleza tu mahali atomi zilipo. Wakati hakuna jozi pweke kwenye atomi ya kati, jiometri zote mbili ni sawa; zikiwepo jozi pweke, zinatofautiana.

Katika bipiramidi ya pembetatu nafasi hazilingani: nafasi tatu za ikweta ziko umbali wa 120° na nafasi mbili za mhimili ziko 90° kutoka kwenye ikweta. Jozi pweke huenda kwenye nafasi za ikweta kwanza, kwa sababu nafasi ya ikweta ina majirani wawili tu kwa 90° wakati nafasi ya mhimili ina watatu.

• Namba ya steriki 3: AX₃ pembetatu bapa; AX₂E iliyopinda, pembe chini ya 120°.
• Namba ya steriki 4: AX₄ tetrahedroni; AX₃E piramidi ya pembetatu; AX₂E₂ iliyopinda, pembe chini ya 109.5°.
• Namba ya steriki 5: AX₅ bipiramidi ya pembetatu; AX₄E bembea; AX₃E₂ umbo la T; AX₂E₃ ya mstari.
• Namba ya steriki 6: AX₆ oktahedroni; AX₅E piramidi ya mraba; AX₄E₂ mraba bapa.

Kwa nini jozi pweke hubana pembe za vifungo

Jozi pweke inashikiliwa na kiini kimoja tu, kwa hivyo msongamano wake wa elektroni unasambaa zaidi karibu na atomi ya kati kuliko jozi ya kifungo. Kukataana kwa hivyo hufuata mpangilio jozi pweke–jozi pweke > jozi pweke–jozi ya kifungo > jozi ya kifungo–jozi ya kifungo, na kila jozi pweke inayoongezwa hubana vifungo vilivyobaki karibu zaidi.

Familia ya tetrahedroni inaonyesha mwelekeo huo. Methani, CH₄, isiyo na jozi pweke, ina pembe za H–C–H za 109.5°. Amonia, NH₃, yenye jozi pweke moja, ina pembe za H–N–H ndogo kidogo. Maji, yenye jozi pweke mbili, yana pembe ya H–O–H ya 104.5°, thamani iliyotolewa katika OpenStax Chemistry 2e. Vifungo vingi vina athari inayofanana, ndogo zaidi, kwa sababu kifungo maradufu kinashikilia msongamano wa elektroni zaidi kuliko kifungo cha pekee.

VSEPR inatabiri mwelekeo wa mikengeuko hii kwa kutegemewa, lakini si ukubwa wake kamili. Swali linapouliza pembe katika molekuli yenye jozi pweke, jibu "ndogo kidogo kuliko" thamani bora isipokuwa una data iliyopimwa.

Mifano iliyotatuliwa: trifluoridi ya klorini na tetrafluoridi ya zenoni

Trifluoridi ya klorini, ClF₃. Elektroni za valensi: 7 + 3(7) = 28. Vifungo vitatu vya pekee vya Cl–F vinatumia elektroni 6, na kukamilisha oktati tatu za florini kunatumia 3 × 6 = 18, jumla 24. Elektroni 4 zilizobaki huenda kwenye klorini kama jozi pweke mbili. Klorini ina vifungo vitatu na jozi pweke mbili, kwa hivyo ni AX₃E₂ yenye namba ya steriki 5 na jiometri ya kikoa cha elektroni ya bipiramidi ya pembetatu.

Jozi pweke zote mbili huchukua nafasi za ikweta. Hilo linaacha florini moja katika bapa la ikweta na mbili katika nafasi za mhimili, kwa hivyo atomi huunda umbo la T. Jozi pweke husukuma florini za mhimili kuelekea ya ikweta, kwa hivyo pembe za F–Cl–F ni ndogo kidogo kuliko 90°. Dipoli tatu za vifungo vya Cl–F hazifutani katika umbo la T, kwa hivyo ClF₃ ina ukanda.

Tetrafluoridi ya zenoni, XeF₄. Elektroni za valensi: 8 + 4(7) = 36. Vifungo vinne vya Xe–F vinatumia elektroni 8 na jozi pweke za florini zinatumia 4 × 6 = 24, jumla 32. Elektroni 4 zilizobaki ni jozi pweke mbili kwenye zenoni. Kwa vifungo vinne na jozi pweke mbili, zenoni ni AX₄E₂, namba ya steriki 6, jiometri ya kikoa cha elektroni ya oktahedroni.

Katika oktahedroni kila nafasi ni sawa, kwa hivyo jozi pweke ya kwanza inaweza kwenda popote; ya pili huenda moja kwa moja kinyume nayo, umbali wa 180°, ili kupunguza kukataana kwa jozi pweke–jozi pweke. Florini nne kisha ziko katika bapa moja kwa 90° kwa majirani zake: mraba bapa. Kila kifungo cha Xe–F kina ukanda, lakini vifungo vilivyo kinyume vinaelekea pande kinyume kabisa, kwa hivyo dipoli zinafutana na XeF₄ haina ukanda.

Kujumlisha dipoli za vifungo kupata ukanda wa molekuli

Kifungo kati ya atomi za elektronegativiti tofauti kina ukanda, chenye chaji hasi sehemu (δ−) kwenye atomi yenye elektronegativiti kubwa zaidi. Kila dipoli ya kifungo ina ukubwa na mwelekeo, kwa hivyo hufanya kazi kama vekta. Wakati wa dipoli wa molekuli ni jumla ya vekta ya dipoli zote za vifungo, kwa kawaida huripotiwa kwa debai (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Dipoli za vifungo hufutana wakati vifungo vinavyofanana vimepangwa kwa ulinganifu kuzunguka atomi ya kati. Hilo hutokea kwa molekuli za AX₂ za mstari, AX₃ za pembetatu bapa, AX₄ za tetrahedroni, AX₅ za bipiramidi ya pembetatu na AX₆ za oktahedroni wakati atomi zote za X ni sawa, na pia kwa maumbo ya AX₄E₂ ya mraba bapa na AX₂E₃ ya mstari, ambapo jozi pweke zimepangwa kwa ulinganifu na kila kifungo kinaelekea moja kwa moja kinyume cha kifungo kinachofanana. Mchanganyiko mwingine wa umbo na vibadala kwa ujumla huacha dipoli halisi.

Ulinganisho uliotatuliwa: dioksidi ya salfa na trioksidi ya salfa. SO₂ ina 6 + 2(6) = elektroni 18 za valensi; muundo wake wa Lewis unaweka vikoa viwili vya kifungo na jozi pweke moja kwenye salfa (AX₂E), kwa hivyo molekuli imepinda. Dipoli mbili za S–O zinaelekea kwa sehemu upande ule ule, jumla yake si sifuri, na SO₂ ina ukanda. SO₃ ina 6 + 3(6) = elektroni 24 za valensi na vikoa vitatu vya kifungo bila jozi pweke kwenye salfa (AX₃), kwa hivyo ni pembetatu bapa. Dipoli tatu sawa zilizo umbali wa 120° zinajumlisha sifuri, na SO₃ haina ukanda ingawa kila kifungo ndani yake kina ukanda.

Makosa ya kawaida ya umbo na ukanda

Makosa mengi hutokana na kuruka muundo wa Lewis au kusoma mchoro bapa ulio kwenye ukurasa kana kwamba ni umbo halisi. Utaratibu wa haraka huyagundua: chora muundo wa Lewis, hesabu vikoa kwenye atomi ya kati, taja jiometri ya kikoa cha elektroni, ondoa jozi pweke kutaja umbo la molekuli, kisha jumlisha dipoli za vifungo katika pande tatu.

Modeli ya kimwili au mchoro makini wa kabari-na-kistari husaidia katika hatua ya mwisho. Kama unaweza kuzungusha molekuli ili dipoli moja ya kifungo isiwe na mwenzi anayeelekea upande kinyume, molekuli ina ukanda. Kama kila kifungo kinalinganishwa na kifungo kinachofanana upande wa pili, au na seti ya ulinganifu kama vifungo vitatu kwa 120°, haina ukanda.

• Kutaja jiometri ya kikoa cha elektroni wakati swali linauliza umbo la molekuli. Vikoa vya maji ni vya tetrahedroni; umbo lake limepinda.
• Kusahau jozi pweke kwenye atomi ya kati, jambo linalogeuza NH₃ kuwa molekuli ya pembetatu bapa kimakosa.
• Kuhesabu kifungo maradufu au mara tatu kama vikoa viwili au vitatu.
• Kuhitimisha kwamba molekuli ina ukanda kwa sababu vifungo vyake vina ukanda, bila kukagua kama dipoli zinafutana.
• Kuhukumu ulinganifu kutoka kwa mchoro bapa. CH₂Cl₂ inaonekana ya ulinganifu kwenye karatasi lakini ni tetrahedroni yenye aina mbili tofauti za vifungo, kwa hivyo ina ukanda.
• Kuweka jozi pweke katika nafasi za mhimili za bipiramidi ya pembetatu, jambo linalotoa umbo lisilo sahihi kwa SF₄, ClF₃ na XeF₂.