10.2: Teoria VSEPR i wpływ samotnych par

Wpływ samotnych par elektronów na geometrię molekuły

Ważne jest, aby zauważyć, że geometria par elektronów wokół centralnego atomu to nie to samo, co jego struktura molekularna. Struktura molekularna opisuje położenie atomów, a nie elektronów. Geometria, która obejmuje wszystkie pary elektronów, jest geometrią par elektronów. Geometrie par elektronów opisują wszystkie obszary, w których znajdują się elektrony, wiązania, a także samotne pary. Struktura, która obejmuje tylko rozmieszczenie atomów w cząsteczce, nazywana jest strukturą molekularną. Geometrie par elektronów będą takie same jak struktury molekularne, gdy wokół centralnego atomu nie ma samotnych par elektronów, ale będą inne, gdy na centralnym atomie znajdują się samotne pary.

Na przykład cząsteczka metanu,_CH4, która jest głównym składnikiem gazu ziemnego, ma cztery pary wiązań elektronów wokół centralnego atomu węgla; geometria par elektronów jest czworościenna, podobnie jak struktura molekularna. Z drugiej strony, cząsteczka amoniaku, NH₃, ma również cztery pary elektronów związane z atomem azotu, a zatem ma czworościenną geometrię par elektronów. Jednym z tych regionów jest jednak samotna para, która nie jest zawarta w strukturze molekularnej i ta samotna para wpływa na kształt cząsteczki.

Zniekształcenia kątowe w oparciu o teorię VSEPR

Niewielkie zniekształcenia od idealnych kątów mogą wynikać z różnic w odpychaniu między różnymi obszarami gęstości elektronów. Teoria VSEPR przewiduje te zniekształcenia poprzez ustalenie kolejności odpychania i kolejności ilości przestrzeni zajmowanej przez różne rodzaje par elektronów. Kolejność odpychania par elektronów od największego do najmniejszego odpychania jest następująca:

samotna para – samotna para > samotna para wiążąca > para wiążąca – para wiążąca

Ta kolejność odpychania określa ilość przestrzeni zajmowanej przez różne obszary elektronów. Samotna para elektronów zajmuje większy obszar przestrzeni niż elektrony w wiązaniu potrójnym; Z kolei elektrony w wiązaniu potrójnym zajmują więcej miejsca niż te w wiązaniu podwójnym i tak dalej. Kolejność rozmiarów od największego do najmniejszego jest następująca:

Samotna para > wiązaniem potrójnym > podwójnym wiązaniem > pojedynczym wiązaniem

W cząsteczce amoniaku trzy atomy wodoru przyłączone do centralnego azotu nie są ułożone w płaską, trygonalną płaską strukturę molekularną, ale raczej w trójwymiarową piramidę trygonalną z atomem azotu na wierzchołku i trzema atomami wodoru tworzącymi podstawę. Idealne kąty wiązań w piramidzie trygonalnej są oparte na geometrii czworościennych par elektronów. Ponownie, istnieją niewielkie odchylenia od ideału, ponieważ samotne pary zajmują większe obszary przestrzeni niż elektrony wiążące. Kąty wiązania H-N-H w NH₃ są nieco mniejsze niż kąt 109,5° w czworościanie foremnym, ponieważ odpychanie pary wiążącej samotną parę jest większe niż odpychanie pary wiążącej.

Zgodnie z teorią VSEPR, końcowe lokalizacje atomów są równoważne w liniowej, trygonalnej płaskiej i czworościennej geometrii par elektronów. Nie ma znaczenia, który X zostanie zastąpiony samotną parą, ponieważ cząsteczki można obracać, aby zamienić pozycje. Jednak w przypadku trygonalnych dwupiramidalnych geometrii par elektronów istnieją dwie różne pozycje X, pozycja osiowa (jeśli trzymamy model bipiramidy trygonalnej za dwie pozycje osiowe, mamy oś, wokół której możemy obrócić model) i pozycję równikową (trzy pozycje tworzą równik wokół środka cząsteczki). Pozycja osiowa jest otoczona kątami wiązania 90°, podczas gdy pozycja równikowa ma więcej miejsca ze względu na kąty wiązania 120°. W trygonalnej dwupiramidalnej geometrii par elektronów, samotne pary zawsze zajmują pozycje równikowe, ponieważ te bardziej przestronne pozycje mogą łatwiej pomieścić większe samotne pary.

Kiedy centralny atom ma dwie samotne pary elektronów i cztery obszary wiązania, mamy geometrię oktaedrycznej pary elektronów. Dwie samotne pary znajdują się po przeciwnych stronach ośmiościanu (oddalonych od siebie o 180°), co daje kwadratową płaską strukturę molekularną, która minimalizuje odpychanie samotnej pary.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 7.6: Struktura molekularna i polarność.