Name: predicting shape and molecular polarity
Uploaded: 2023-04-30T18:28:31.000Z
Duration: 2 min 36 s
Channel: JoVE

תורת VSEPR מסייעת לקבוע גיאומטריות של זוגות אלקטרונים וגיאומטריות מולקולריות.
סדרה של צעדים משמשת לחיזוי הגיאומטריה וזוויות הקשר של מולקולות, כגון זרחן טריכלורי.
הצעד הראשון הוא לצייר את מבנה לואיס של המולקולה.
לאחר מכן, לספור את המספר הכולל של קבוצות אלקטרונים על האטום המרכזי. סביב הזרחן קיימות ארבע קבוצות אלקטרונים: שלושה זוגות קשרים וזוג בודד אחד.
כעת, קבעו את הגיאומטריה של זוג האלקטרונים. הגאומטריה של זוג אלקטרונים היא טטרהדרלית. עם זאת, בגלל הזוג הבודד, הגיאומטריה המולקולרית היא פירמידלית טריגונלית. הזוג הבודד מצמצם את זווית הקשר לפחות מ-109.5°.
זוגות אלקטרונים קשורים לא תמיד מתחלקים שווה בשווה בין שני אטומי הקשר.
בקשר קוולנטי כמו זה של חומצה הידרופלואורית, האלקטרונים נמשכים לכיוון האטום האלקטרושלילי יותר, המסומן על ידי מטען חלקי. קשרים כאלה נקראים קשרים קוטביים.
הפרדת המטען יוצרת וקטור הנקרא מומנט דיפול בונד, המסומן על ידי האות היוונית μ. ערכו הוא תוצר של גודל המטענים החלקיים והמרחק ביניהם.
רגעי דיפול באים לידי ביטוי בדרך כלל בדבייס. דביי אחד שווה ל-3.336 ×-10-30 קולומב-מטר.
הווקטור מצביע מהאטום הפחות לאטום האלקטרושלילי יותר ומציין את מומנט הדיפול של הקשר. אורכו פרופורציונלי לגודל הפרש האלקטרושליליות בין שני האטומים. לרוב המולקולות הדיאטומיות המכילות אטומים של יסודות שונים יש מומנטי דיפול ולכן הן מולקולות קוטביות.
בתרכובות פוליאטומיות, מומנט הדיפול נטו נקבע על ידי מומנטי הדיפול של הקשר הבודד והגאומטריה של התרכובת.
חשבו על מולקולת מים בעלת שני קשרים קוטביים. יש לו צורה כפופה והוא מולקולה קוטבית.
לעומת זאת, מולקולת פחמן דו-חמצני היא ליניארית. שני קשרי פחמן-חמצן הם קוטביים אך מכוונים בכיוונים מנוגדים, מבטלים זה את מומנט הדיפול של זה והופכים את המולקולה הכוללת ללא-קוטבית.

גיאומטריה מולקולרית ומומנטים דיפוליים

<div style="direction:rtl">
 
 ניתן להשתמש בתיאוריית VSEPR כדי לקבוע את הגיאומטריות של זוג האלקטרונים והמבנים המולקולריים כדלקמן:
 
 <ol style="padding-left: 35px; margin: 0;">
 <li style="text-align: right;">
 כתבו את מבנה לואיס של המולקולה או היון הרב-אטומי.
 </li>
 <li style="text-align: right;">
 ספרו את מספר קבוצות האלקטרונים (זוגות קושרים ולא קושרים) סביב האטום המרכזי. קשר יחיד, כפול או משולש נחשב כאזור אחד של צפיפות אלקטרונים.
 </li>
 <li style="text-align: right;">
 זהו את הגיאומטריה של זוג האלקטרונים בהתבסס על מספר קבוצות האלקטרונים.
 </li>
 <li style="text-align: right;">
 השתמשו במספר הזוגות הלא קושרים כדי לקבוע את המבנה המולקולרי. אם אפשרי יותר מסידור אחד של זוגות בודדים וקשרים כימיים, בחרו את זה שימזער את הדחייה.
 </li>
 </ol>
 
 מומנט דיפול של מולקולה
 
 
 כאשר אטומים בעלי אלקטרוני שליליות שונות יוצרים קשר, האלקטרונים נמשכים לכיוון האטום האלקטרושלילי יותר, ומשאירים אטום אחד עם מטען חיובי חלקי (δ+) והאטום השני עם מטען שלילי חלקי (δ–). קשרים כאלה נקראים קשרים קוולנטיים קוטביים, והפרדת המטען יוצרת מומנט דיפול. הגודל של מומנט הדיפול מיוצג על ידי האות היוונית µ וניתן על ידי:
 
 
 μ = Qr
 
 
 כאשר Q הוא גודל המטענים החלקיים (נקבע על ידי הפרש האלקטרושליליות), ו-r הוא המרחק ביניהם. מומנטי דיפול מתבטאים בדרך כלל ב-debyes, כאשר debye אחד שווה ל- 3.336 × 10−30
 C·m
 
 
 מומנט הדיפול הוא וקטור המיוצג על ידי חץ המצביע לאורך הקשר מהאלקטרושלילי פחות לכיוון האטום האלקטרושלילי יותר, עם סימן פלוס קטן בקצה הפחות אלקטרושלילי.
 
 
 למולקולה שלמה עשויה להיות גם הפרדת מטען, בהתאם למבנה המולקולרי שלה ולקוטביות של כל אחד מהקשרים שלה. אומרים שמולקולות כאלה הן קוטביות. מומנט הדיפול מודד את מידת הפרדת המטען נטו במולקולה כולה. במולקולות דו-אטומיות, מומנט דיפול הקשר קובע את הקוטביות המולקולרית.
 
 
 כאשר מולקולה מכילה יותר מקשר אחד, יש לקחת בחשבון את הגיאומטריה. אם הקשרים במולקולה מסודרים כך שסכום הווקטור של מומנטי הקשר שלהם שווה לאפס, אז המולקולה אינה קוטבית (למשל, CO
 
 2
 
 ). למולקולת המים יש מבנה מולקולרי כפוף, ושני מומנטי הקשר אינם מתבטלים. לכן, מים הם מולקולה קוטבית עם מומנט דיפול נטו.
 
</div>

ניתן להשתמש בתאוריית VSEPR כדי לקבוע את הגיאומטריות והמבנים המולקולריים של זוג האלקטרונים באופן הבא:

כתוב את מבנה לואיס של המולקולה או ...

Education

JoVE Core

Organic Chemistry

כימיה אורגנית

Unit 1

יחידה 1

Covalent Bonding and Structure

קשרים קוולנטיים ומבנה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

Molecular Geometry and Dipole Moments

predicting shape and molecular polarity

Molecular shape and molecular polarity can be predicted with VSEPR theory and dipole moments. Start by writing the Lewis structure of the molecule or polyatomic ion. Then count the electron groups around the central atom. Lone pairs and bonds both count as electron groups, and a single, double, or triple bond each counts as one region of electron density.

Use that count to identify the electron-pair geometry. Next, use the number of lone pairs to determine the molecular structure. If more than one arrangement of lone pairs and bonds is possible, choose the one with the fewest repulsions. This step helps show how atoms arrange themselves in space.

Bond polarity depends on electronegativity, which is how strongly an atom pulls shared electrons. When atoms with different electronegativities form a bond, the electrons are pulled toward the more electronegative atom. That leaves one atom with a partial positive charge, written as δ+, and the other with a partial negative charge, written as δ−. These are polar covalent bonds.

The charge separation in a polar bond creates a bond dipole moment. Its magnitude is written with the Greek letter μ and follows the relation μ = Qr, where Q is the size of the partial charges and r is the distance between them. Dipole moments are usually measured in debyes. One debye equals 3.336 × 10^−30 C·m. A bond dipole is shown as an arrow pointing from the less electronegative atom toward the more electronegative atom, with a small plus sign on the less electronegative end.

A whole molecule can also have a dipole moment. That depends on both the polarity of its bonds and its molecular shape. In diatomic molecules, the bond dipole determines the molecular polarity. In molecules with more than one bond, the bond dipoles must be added as vectors. If the vector sum is zero, the molecule is nonpolar, as in CO2. Water has a bent molecular structure, so its bond moments do not cancel. As a result, water is a polar molecule with a net dipole moment.

Predicting Shape and Molecular Polarity

what is organic chemistry?

Carbon Compounds in Everyday Life

Organic chemistry focuses on carbon compounds called organic compounds. These compounds may come from living things or be made by chemists. Carbon is the main element in them, and it bonds with other carbon atoms as well as hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur. Carbon can form up to four strong bonds. That ability lets carbon atoms build chains and rings of many sizes, shapes, and levels of complexity. Not every carbon-containing substance is classified as organic. Carbonates, cyanides, and...

electronic structure of atoms

Atomic Orbitals and Quantum Numbers

Atomic orbitals and quantum numbers describe how electrons are arranged around the nucleus. An atom has a small, positively charged nucleus with electrons surrounding it. The nucleus contains protons and neutrons, and the quantum mechanical model gives a better picture of this structure than older models. Protons carry a +1 charge and have a mass of 1.0073 amu. Neutrons have no charge and have a mass of 1.0087 amu. Electrons carry a −1 charge and have a mass of 0.00055 amu. The number of...

electron configurations

How Electrons Fill Atomic Orbitals

Electron filling in atoms follows a set order based on orbital energy. The Aufbau principle says each new electron enters the lowest-energy subshell available. The Pauli exclusion principle says no two electrons can share the same set of four quantum numbers. Hund’s rule of maximum multiplicity says electrons stay unpaired in equal-energy orbitals when possible. The order of filling follows the relative energies of the subshells. A common sequence is 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, and so on.

chemical bonds

Chemical Bonds: Types and Strength

Chemical bonds help atoms reach a full valence shell like the nearest noble gas. The main bond types are ionic, covalent, and metallic. Bond energy and bond length also help explain how strong a bond is. An ionic bond forms from electrostatic attraction between cations and anions. In many cases, one atom transfers electrons to another atom, and the ions form from that transfer. Ionic bonds have no defined direction because the attraction spreads evenly through three-dimensional space. A...

polar covalent bonds

Electronegativity in Polar Covalent Bonds

Polar covalent bonds form when atoms share electrons unevenly. This happens in covalent bonds between atoms that have similar, but not identical, tendencies to attract electrons. Nonmetal atoms often make these bonds with other nonmetals. Hydrogen gas, H2, is a simple example of a covalent bond between two hydrogen atoms. A covalent bond begins when two atoms move close enough for their valence orbitals to overlap. In hydrogen, the 1s orbitals overlap and the single electrons on each atom...

lewis structures and formal charges

Lewis Structures, Bonds, and Formal Charge

Lewis structures show how atoms share electrons in covalent bonds and in polyatomic ions. Lewis symbols help draw these structures, and the periodic table helps predict how many valence electrons an atom has and how many bonds it can form to reach an octet. Group 18 elements, such as argon and helium, already have filled electron configurations. They rarely take part in chemical bonding. Atoms in group 17, such as bromine and iodine, need one more electron to reach an octet, so they can form...

vsepr theory

Molecular Shapes from Electron Pairs

Molecular shape can be predicted from the way electron pairs arrange around a central atom. Valence shell electron-pair repulsion theory, or VSEPR theory, uses a Lewis structure to count bonding pairs and lone electron pairs. The main idea is simple: electron pairs spread out as far as possible to reduce repulsion. In a molecule, the valence electrons around the central atom can be bonding pairs or lone pairs. Bonding pairs are found mainly between bonded atoms. Lone pairs stay on one atom and...

molecular geometry and dipole moments

Molecular shape and molecular polarity can be predicted with VSEPR theory and dipole moments. Start by writing the Lewis structure of the molecule or polyatomic ion. Then count the electron groups around the central atom. Lone pairs and bonds both count as electron groups, and a single, double, or triple bond each counts as one region of electron density. Use that count to identify the electron-pair geometry. Next, use the number of lone pairs to determine the molecular structure. If more than...

resonance and hybrid structures

Resonance in Nitrite and Carbonate Ions

Resonance explains why some Lewis structures do not match the measured properties of a molecule or ion. When two or more Lewis structures have the same atom arrangement, the real electron distribution is an average of the structures shown. The nitrite anion, NO2−, is one example. It can be drawn in two ways, with the N–O and N=O bonds in different places. If nitrite had one single bond and one double bond, the two bond lengths should be different, because a double bond is shorter and stronger...

valence bond theory and hybridized orbitals

valence-bond-theory-and-hybridized-orbitals

Covalent Bond Overlap and Orbital Hybridization

Covalent bonds form when orbitals on two atoms overlap and their single electrons pair up. The bond is stronger when the overlap is greater. Maximum overlap happens when the orbitals meet along a direct line between the two nuclei. A sigma bond, or σ bond, is the kind of covalent bond found in a single bond in a Lewis structure. In a σ bond, electron density is concentrated along the internuclear axis. A pi bond, or π bond, forms when two p orbitals overlap side by side. In a π bond, the...

mo theory and covalent bonding

Bond Order and Molecular Orbitals

Molecular orbital theory explains how electrons are arranged in molecules. It treats electron regions in a molecule much like atomic orbitals in an atom. A molecular orbital is the region of space where a valence electron is most likely to be found. Molecular orbitals form through the linear combination of atomic orbitals, or LCAO. When atomic wave functions combine in phase, they create regions with high electron density. When they combine out of phase, they create nodes, or regions with no...

intermolecular forces and physical properties

intermolecular-forces-and-physical-properties

How Intermolecular Forces Affect Matter

Intermolecular forces are the attractions between molecules, and they help explain how matter behaves. These forces influence melting points, boiling points, and whether substances mix with one another. Water has a much higher boiling point than hexane, which shows that water has stronger intermolecular forces. Three main kinds of intermolecular interactions are covered here. They include ion-dipole forces, dipole-dipole interactions, and van der Waals forces, which include London dispersion...

solubility

Why Some Substances Dissolve in Water

Solution formation depends on how solutes and solvents interact. A solution is a homogeneous mixture made of a solvent, which is the larger part, and a solute, which is the smaller part. The physical state of a solution is usually the same as the solvent. Concentration is often described as dilute for a low amount of solute or concentrated for a high amount of solute. When a solute dissolves, its particles are surrounded by solvent species. This process is called solvation. If water is the...

introduction to functional groups

Functional Groups and Organic Molecules

Functional groups are groups of atoms with specific chemical properties that appear within organic molecules. They are sometimes shown as "R." These groups sit along the carbon backbone of macromolecules, which can form chains or rings of carbon atoms. Functional groups help functionalize a compound. That means they can give the molecule different physical and chemical properties. In organic chemistry, this change in group structure can strongly affect how a compound behaves. Common...

overview of advanced functional groups

Advanced Functional Groups in Organic Chemistry

Advanced functional groups are atom clusters in organic molecules that give those molecules specific chemical properties. They are sometimes shown as "R" in formulas. By changing the atoms attached to a carbon skeleton, a functional group can make a compound behave differently in physical and chemical reactions. This topic covers several major classes of organic compounds with advanced functional groups. Aromatic hydrocarbons include benzene. Phenol is another example and is also called...

key terms and concepts

Learn how VSEPR theory predicts molecular shape, how bond polarity forms, and why some molecules like CO2 are nonpolar while water is polar.

Predicting Shape and Molecular Polarity | JoVE K12

organic chemistry

JoVE Core Organic Chemistry explains basic concepts of stereochemistry, reactions, and mechanisms using concise and easy-to-understand animated video lessons. Additionally, the scientist-in-action videos demonstrate the application of related concepts in classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Predicting Shape and Molecular Polarity

Description

Transcript

Tags