VSEPR Geometrisi ve Molekül Polarlığı

Bir merkez atom etrafındaki elektron bölgelerini sayma

VSEPR doğru bir Lewis yapısıyla başlar. Merkez atom etrafındaki elektron bölgelerini sayın: her ortaklanmamış çift bir bölgedir ve başka bir atoma her bağ, tek, çift ya da üçlü olsun, bir bölgedir. Toplam sıklıkla sterik sayı olarak adlandırılır. Çift bağ bir kez sayılır, çünkü elektronları iki atom arasındaki aynı uzay bölgesini kaplar.

Sterik sayı, bölgeleri birbirinden en uzak tutan düzenleme olan elektron bölgesi geometrisini belirler. İki bölge doğrusaldır (180°), üç bölge üçgen düzlemdir (120°), dört bölge dörtyüzlüdür (109.5°), beş bölge üçgen çift piramittir (90° ve 120°) ve altı bölge sekizyüzlüdür (90°).

Kısa bir etiket sayımı izler. AXₘEₙ gösteriminde A merkez atom, m bağlı X atomlarının sayısı ve n merkez atom üzerindeki ortaklanmamış E çiftlerinin sayısıdır. Su AX₂E₂'dir: iki bağlı atom ve iki ortaklanmamış çift, sterik sayı 4.

Elektron bölgesi geometrisi ve molekül şekli

Ortaklanmamış çiftler yer kaplar ama atom değildirler; bu yüzden molekül şeklinin adında görünmezler. Molekül geometrisi yalnızca atomların nerede durduğunu tanımlar. Merkez atom üzerinde ortaklanmamış çift yoksa iki geometri aynıdır; ortaklanmamış çift varsa farklıdır.

Üçgen çift piramitte konumlar eşdeğer değildir: üç ekvatoral konum birbirinden 120° uzaktadır ve iki eksenel konum ekvatordan 90°'dir. Ortaklanmamış çiftler önce ekvatoral konumlara gider, çünkü bir ekvatoral konumun 90°'de yalnızca iki komşusu varken bir eksenel konumun üç komşusu vardır.

• Sterik sayı 3: AX₃ üçgen düzlem; AX₂E açısal, açı 120°'nin altında.
• Sterik sayı 4: AX₄ dörtyüzlü; AX₃E üçgen piramit; AX₂E₂ açısal, açılar 109.5°'nin altında.
• Sterik sayı 5: AX₅ üçgen çift piramit; AX₄E tahterevalli; AX₃E₂ T biçimli; AX₂E₃ doğrusal.
• Sterik sayı 6: AX₆ sekizyüzlü; AX₅E kare piramit; AX₄E₂ kare düzlem.

Ortaklanmamış çiftler bağ açılarını neden sıkıştırır

Ortaklanmamış bir çift yalnızca bir çekirdek tarafından tutulur; bu yüzden elektron yoğunluğu merkez atomun yakınında bir bağ çiftininkinden daha geniş yayılır. Bu nedenle itmeler ortaklanmamış çift–ortaklanmamış çift > ortaklanmamış çift–bağ çifti > bağ çifti–bağ çifti sırasını izler ve eklenen her ortaklanmamış çift kalan bağları birbirine daha çok yaklaştırır.

Dörtyüzlü ailesi eğilimi gösterir. Ortaklanmamış çifti olmayan metan, CH₄, 109.5°'lik H–C–H açılarına sahiptir. Bir ortaklanmamış çiftli amonyak, NH₃, biraz daha küçük H–N–H açılarına sahiptir. İki ortaklanmamış çiftli su, OpenStax Chemistry 2e'de verilen değer olan 104.5°'lik bir H–O–H açısına sahiptir. Çoklu bağlar benzer, daha küçük bir etki yapar, çünkü çift bağ tek bağdan daha fazla elektron yoğunluğu tutar.

VSEPR bu sapmaların yönünü güvenilir biçimde öngörür, ancak tam büyüklüğünü öngörmez. Bir soru ortaklanmamış çiftli bir moleküldeki açıyı sorduğunda, ölçülmüş verileriniz yoksa ideal değerden “biraz daha az” diye yanıtlayın.

Çözümlü örnekler: klor triflorür ve ksenon tetraflorür

Klor triflorür, ClF₃. Değerlik elektronları: 7 + 3(7) = 28. Üç Cl–F tek bağı 6 elektron kullanır ve üç flor oktetini tamamlamak 3 × 6 = 18 kullanır; toplam 24. Kalan 4 elektron klorun üzerine iki ortaklanmamış çift olarak gider. Klorun üç bağı ve iki ortaklanmamış çifti vardır; yani AX₃E₂'dir, sterik sayısı 5'tir ve elektron bölgesi geometrisi üçgen çift piramittir.

Her iki ortaklanmamış çift de ekvatoral konumları alır. Bu, ekvatoral düzlemde bir flor, eksenel konumlarda iki flor bırakır; dolayısıyla atomlar bir T şekli oluşturur. Ortaklanmamış çiftler eksenel florları ekvatoral olana doğru iter; bu yüzden F–Cl–F açıları 90°'den biraz azdır. Üç Cl–F bağ dipolü bir T şeklinde birbirini götürmez; bu yüzden ClF₃ polardır.

Ksenon tetraflorür, XeF₄. Değerlik elektronları: 8 + 4(7) = 36. Dört Xe–F bağı 8 elektron kullanır ve flor ortaklanmamış çiftleri 4 × 6 = 24 kullanır; toplam 32. Kalan 4 elektron ksenon üzerindeki iki ortaklanmamış çifttir. Dört bağ ve iki ortaklanmamış çiftle ksenon AX₄E₂'dir, sterik sayı 6'dır ve elektron bölgesi geometrisi sekizyüzlüdür.

Bir sekizyüzlüde her konum eşdeğerdir; bu yüzden ilk ortaklanmamış çift herhangi bir yere gidebilir. İkincisi, ortaklanmamış çift–ortaklanmamış çift itmesini en aza indirmek için tam karşısına, 180° uzağa gider. Dört flor bu durumda komşularına 90° ile tek bir düzlemde yer alır: kare düzlem. Her Xe–F bağı polardır, ancak karşılıklı bağlar tam zıt yönlere bakar; bu yüzden dipoller birbirini götürür ve XeF₄ apolardır.

Molekül polarlığını bulmak için bağ dipollerini toplama

Elektronegatifliği farklı atomlar arasındaki bir bağ polardır; daha elektronegatif atom üzerinde kısmi negatif yük (δ−) bulunur. Her bağ dipolünün bir büyüklüğü ve bir yönü vardır; bu yüzden bir vektör gibi davranır. Molekül dipol momenti, tüm bağ dipollerinin vektörel toplamıdır ve genellikle debye cinsinden verilir (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Özdeş bağlar merkez atom etrafında simetrik düzenlendiğinde bağ dipolleri birbirini götürür. Bu, tüm X atomları aynı olduğunda AX₂ doğrusal, AX₃ üçgen düzlem, AX₄ dörtyüzlü, AX₅ üçgen çift piramit ve AX₆ sekizyüzlü moleküller için, ayrıca ortaklanmamış çiftlerin simetrik düzenlendiği ve her bağın tam karşısında özdeş bir bağın bulunduğu AX₄E₂ kare düzlem ve AX₂E₃ doğrusal şekiller için gerçekleşir. Şekil ve sübstitüentlerin diğer kombinasyonları genellikle net bir dipol bırakır.

Çözümlü karşılaştırma: kükürt dioksit ve kükürt trioksit. SO₂ 6 + 2(6) = 18 değerlik elektronuna sahiptir; Lewis yapısı kükürt üzerine iki bağ bölgesi ve bir ortaklanmamış çift yerleştirir (AX₂E); dolayısıyla molekül açısaldır. İki S–O dipolü kısmen aynı yöne bakar, toplamları sıfır değildir ve SO₂ polardır. SO₃ 6 + 3(6) = 24 değerlik elektronuna ve kükürt üzerinde ortaklanmamış çifti olmayan üç bağ bölgesine sahiptir (AX₃); dolayısıyla üçgen düzlemdir. 120° arayla duran üç eşit dipol sıfıra toplanır ve içindeki her bağ polar olsa da SO₃ apolardır.

Yaygın şekil ve polarlık hataları

Hataların çoğu Lewis yapısını atlamaktan veya sayfadaki düz çizimi gerçek şekilmiş gibi okumaktan kaynaklanır. Hızlı bir rutin bunları yakalar: Lewis yapısını çizin, merkez atom üzerindeki bölgeleri sayın, elektron bölgesi geometrisini adlandırın, molekül şeklini adlandırmak için ortaklanmamış çiftleri çıkarın, sonra bağ dipollerini üç boyutta toplayın.

Fiziksel bir model veya özenli bir kama ve çizgi çizimi son adımda yardımcı olur. Molekülü, bir bağ dipolünün ters yöne bakan eşi kalmayacak şekilde döndürebilirseniz molekül polardır. Her bağın karşı tarafta özdeş bir bağla veya 120°'de üç bağ gibi simetrik bir kümeyle eşleşmesi durumunda ise apolardır.

• Soru molekül şeklini sorarken elektron bölgesi geometrisini adlandırmak. Suyun bölgeleri dörtyüzlüdür; şekli açısaldır.
• Merkez atom üzerindeki ortaklanmamış çiftleri unutmak; bu, NH₃'ü yanlışlıkla üçgen düzlem bir molekül yapar.
• Bir çift veya üçlü bağı iki ya da üç bölge saymak.
• Dipollerin birbirini götürüp götürmediğini kontrol etmeden bağları polar olduğu için molekülün polar olduğu sonucuna varmak.
• Simetriyi düz bir çizimden değerlendirmek. CH₂Cl₂ kâğıt üzerinde simetrik görünür, ancak iki farklı türden bağla dörtyüzlüdür; bu yüzden polardır.
• Ortaklanmamış çiftleri bir üçgen çift piramidin eksenel konumlarına yerleştirmek; bu, SF₄, ClF₃ ve XeF₂ için yanlış şekil verir.