Molekulák térszerkezete és polaritása (VSEPR-elmélet) – I. rész

Ebben a bejegyzésben molekulák térszerkezete kerül górcső alá, valamint kitérünk sok más tulajdonságukra, például a kötéshosszra, polaritásra. A központi atom, atomok körül kialakuló téralkatot a vegyértékelektronpár-taszítási elmélet (VSEPR: Valence Shell Electron Pair Repulsion) segítségével határozhatjuk meg. A posztot jóval részletesebben írtuk meg, mint ahogyan ezt a témakört más jegyzetekben találjátok. Hosszú lesz, de érdemes elolvasni, mert ilyen kérdés biztosan lesz az érettségin, és ha azt tudjátok, amit itt leírunk, nem érhet meglepetés.

Az elmélet egy egyszerű analógiával jól szemléltethető: az elektronpárokat tekintsük durcás kisgyerekeknek, akik összevesztek egymással. Mit csinálnak a durcás kisgyerekek? Amennyiben a szülők megakadályozzák, hogy jól összeverekedjenek a szoba közepén, ők a lehető legtávolabb helyezkedek el egymástól. Akárcsak az elektronok. A modell értelmében tehát a kötő és nemkötő vegyértékelektronpárok taszítják egymást, így azok térben egymástól a lehető legtávolabb helyezkednek el. Ehhez kapcsolódik még számos kiegészítő szabály, melyet lentebb látható szerkezetek segítségével vezetünk be. A VSEPR-elmélet alkalmazásakor az AXE jelölést fogjuk használni, melyben az A a központi atomot, az X az ehhez kapcsolódó ligandumokat (atomokat, vagy atomcsoportokat) az E pedig a központi atomon elhelyezkedő magányos elektronpárokat jelöli. Az A alsó indexe mindig 1, ezért ki sem írjuk. Az AX₂E₂ jelölés például arra utal, hogy az adott molekulában a központi atomhoz, melynek két magányos elektronpárja van, két ligandum kapcsolódik. Ebben a posztban, illetve a folytatásában olyan molekulákat fogunk vizsgálni, melyek téralkata gyakran kérdés a kémia érettségin.

Kétatomos szerkezetek

Azon molekulák térszerkezetét, amelyek csak két atomból állnak könnyű megállapítanunk, két pont ugyanis (vagyis a két atom), mindig egy egyenesre esik, ezt pedig lineárisnak nevezzük. Ha csak két atom kapcsolódik, akkor nem is beszélhetünk központi atomról. Így ezek tárgyalásához tulajdonképpen nem is szükséges a VSEPR-elmélet. Nézzünk most néhány ilyen molekulát (elemet és vegyületet), mielőtt rátérünk a nehezebbekre. Ígérem, lesz még izgalom, annyi kötő és nemkötő elektronpár fogja még taszítani egymást, hogy alig győzzük megállapítani az elrendeződését.

A hidrogén kétatomos molekulája

A hidrogén kétatomos molekulája

Kezdjük a legegyszerűbb molekulával, a kétatomos elemmolekulával, a hidrogénnel. Az 1 elektronnal rendelkező hidrogénatomoknak 1 elektronra van szükségük, hogy elérjék a He elektronszerkezetét. Ezért két hidrogénatom között egy kovalens kötés jön létre.

·      Mivel a molekulát két ugyanolyan atom alkotja, melyeknek az elektronegativitása azonos, a köztük létrejövő kovalens kötés apoláris, így maga a molekula is apoláris. Ez minden elemmolekulára (nem csak lineárisra – P₄, S₈ stb.) igaz. Kivéve az ózont.

• Kötéshossz: Két atommag közötti távolság. Ez a legrövidebb a hidrogénmolekula esetén: 74 pm (pikométer).
• A kötésszög az a szög, melyet a központi atom és annak két liganduma zár be. Így kétatomos molekuláknak nincs kötésszöge.
• A hidrogénmolekula lineáris, ez minden kétatomos molekulára igaz (függetlenül a polaritásától).
• A halogénmolekulák (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) térszerkezete ugyanilyen, a nemesgázszerkezet eléréséhez szintén egy kovalens kötést létesítenek, az atomok mérete és a kötéshossz azonban különbözik.
• A molekulák közötti legerősebb kölcsönhatás (kcsh.): (mint minden apoláris molekula esetében) a diszperziós kcsh.
• A másodrendű kémiai kötésekről itt olvashattok bővebben (több, mint ami az emelt szintű kémia érettségin szükséges)
• Take-home message:
• Minden kétatomos molekula lineáris
• Minden elemmolekula apoláris (kivéve az ózont)
• Kétatomos molekuláknak nincs kötésszöge
• Az apoláris molekulák közötti legerősebb kölcsönhatás a diszperziós kölcsönhatás

Az oxigén kétatomos molekulája

Az oxigén kétatomos molekulája

Az oxigénatomoknak két elektronra van szükségük, hogy elérjék a Ne elektronszerkezetét. Ezért két oxigénatom között két kovalens kötés (egy szigma és egy pi) jön létre.

• Kötéshossz: A hidrogénhez képest nagyobb atomtörzsek miatt nagyobb: 121 pm
• Vigyázat, a periódusos rendszerben az oxigén alatt található kénatomok között nem jöhet létre többszörös kötés, ezért más térszerkezetet vesznek fel (ld. lentebb). Ez minden elemre igaz a 3. periódustól kezdve.
• Memo:
• Minden kétatomos molekula (így az oxigén is) lineáris
• Minden elemmolekula (így az oxigén is) apoláris
• Kétatomos molekuláknak nincs kötésszöge
• Apoláris molekulák között a legerősebb kölcsönhatás a diszperzió
• Take-home message:
• Nagyobb atomtörzsek esetén nagyobb a kötéshossz.

A nitrogén kétatomos molekulája

A nitrogén kétatomos molekulája

Az nitrogénatomoknak három elektronra van szükségük, hogy elérjék a Ne elektronszerkezetét. Ezért a nitrogénmolekulában három kovalens kötés (egy szigma és két pi) található

• Kötéshossz: A oxigénhez képest nagyobb atomtörzsek ellenére annál kisebb: 110 pm. Ezt a háromszoros kötéssel magyarázhatjuk.
• Vigyázat, a periódusos rendszerben a nitrogén alatt található foszfor atomok nem között nem jöhet létre többszörös kötés, ezért a foszfor molekula más térszerkezetet vesznek fel (ld. lentebb).
• Memo:
• Minden kétatomos molekula (így a nitrogén is) lineáris
• Minden elemmolekula (így a nitrogén is) apoláris
• Kétatomos molekuláknak nincs kötésszöge
• Apoláris molekulák között a legerősebb kcsh. a diszperziós kcsh.
• Take-home message:
• Azonos atomok között többszörös kötés esetén a kötéshossz rövidül. (N–N: 145 pm, N≡N 110 pm)

A hidrogén-klorid kétatomos, poláris molekulája

A hidrogén-klorid kétatomos, poláris molekulája

A sorban következő szerkezet még mindig kétatomos, viszont már nem elem, hanem vegyület, a hidrogén-klorid. Mindkét atomnak 1-1 elektronra van szüksége a nemesgáz szerkezethez, így közöttük egy kovalens kötés jön létre.

• A kovalens kötés poláris, mert a két atom elektronegativitása különböző
• A HCl poláris molekula (a képzeletbeli kötélhúzást az elektronegatívabb klór nyeri meg, részlegesen negatív lesz; (nem, nem ilyen értelemben)
• Molekulái közötti legerősebb kcsh. a dipól-dipól kcsh.
• Memo:
• Minden kétatomos molekula (így a HCl is) lineáris
• Kétatomos molekuláknak nincsen kötésszöge
• Take-home message:
• A legtöbb kétatomos vegyület molekulája poláris (kivéve pl. szén-monoxid – CO)

VSEPR elmélet – Legalább 3 atom esetén (minimum két másik atom a központi atom körül)

Legalább 3 atom szükséges tehát, hogy a VSEPR-elméletet alkalmazhassuk és megállapíthassuk a kötésszöget, hiszen központi atom (olyan atom, ami legalább két másik atomhoz kapcsolódik) csak 3 vagy több atom esetén van jelen. Persze lehet az több is, a nagy szerves molekulák (biomolekulák) például több ezer központi atomot is tartalmazhatnak. Ekkor persze a VSEPR-elmélet nem a molekula alakját határozza meg (ezt konformációnak nevezzük, és egy másik posztban lesz róla szó), hanem arra ad lehetőséget, hogy minden egyes központi atom körül megmondjuk, hogy milyen lesz a téralkat.

A szén-dioxid háromatomos, lineáris molekulája

A szén-dioxid háromatomos, lineáris molekulája

Az ábrán látható a legegyszerűbb ilyen szerkezet, az AX₂ (A köponti atomhoz – A – két ligandum kapcsolódik – X₂)

• A CO₂ (a képen látható), CS₂ stb. ilyen szerkezetű
• Lineáris a szén-dioxid molekulája, benne a kötésszög pontosan
• 180°-os, mert bármilyen két (akár nem egyforma) ligandum térben így tud egymástól a legmesszebb elhelyezkedni
• Poláris kovalens kötés jön létre, mert a szén és az oxigén elektronegativitása eltérő
• A szén-dioxid mégis apoláris, mert szimmetrikus, a dipólusmomentum-vektorai kioltják egymást
• Ezt valahogy úgy képzelheted el, hogy ha kitartod két oldalra a kezeidet és azokat kötéllel két egyformán erős ember kezdi el húzni egymással szemben, te helyben maradsz (rosszabb esetben szétszakadsz, de a molekuláknál ez nem fog megtörténni)
• Memo:
• Apoláris molekulák közötti legerősebb kcsh. a diszperziós kcsh.
• Take-home message:
• A szimmetrikus molekulák (melyek csak egyforma ligandumokat tartalmaznak és központi atomjain nincs magányos elektronpár – E) apolárisak
• A lineáris (legalább 3 atomos) molekulákban a kötésszög pontosan 180°

A hidrogén-cianid (HCN) háromatomos, lineáris, poláris molekulája

A hidrogén-cianid (HCN) háromatomos, lineáris, poláris molekulája

AX₂ szerkezet (A szén központi atomhoz – A – egy hidrogén és egy nitrogén ligandum kapcsolódik – X₂).

• Lineáris a hidrogén cianid molekulája, a kötésszög így
• 180°-os
• Poláris kovalens kötés jön létre, mert a szén elektronegativitása eltér a hidrogénétől és a nitrogénétől
• A hidrogén-cianid molekula poláris, mert a dipólusmomentum vektorok nem oltják ki egymást, a nitrogén részlegesen negatív töltésű lesz
• A kötélhúzós analógiánál maradva: a kezeidet kötéllel két nem egyformán erős ember (pl. egy kisgyerek és egy „kokszos” testépítő) kezdi el húzni egymással szemben, akkor te az erősebb felé mozdulsz el, akárcsak az elektronok

A kén-trioxid (SO₃) szabályos síkháromszög alakú molekulája

A kén-trioxid (SO₃) szabályos síkháromszög alakú molekulája

Növeljük eggyel a ligandumok számát: AX₃ szerkezet

• A SO₃ (képen látható) és pl. a BF₃ ilyen szerkezetű
• A molekula alakját síkháromszögnek nevezzük
• 4 atom a molekulában egy síkban van
• Három egyforma ligandum esetén szabályos síkháromszögről beszélünk, melyben
• Minden kötésszög 120°-os
• Poláris kovalens kötés jön létre a kén és az oxigén között
• A kén-trioxid apoláris, mert dipólusmomentum vektorai kioltják egymást (hasonlóan a CO₂-höz)
• A kötélhúzós analógia itt is él, csak képzeljétek el űrlényekkel, akiknek 3 kezük van
• A harmadik periódustól az atomok összesen annyi kötés kialakítására képesek, amennyi vegyértékelektronjuk van (a kén esetében pl. 6 kovalens kötés jön létre), de önmagukkal nem képeznek többszörös kötést, nincs tehát pl. S=S kötés (vagy csak extrém körülmények esetén)
• Take-home message:
• A szabályos síkháromszög alakú molekulákban a kötésszög pontosan 120°
• A harmadik periódustól az atomok összesen annyi kötés kialakítására képesek, amennyi vegyértékelektronjuk van

A formaldehid (H₂CO) torzult síkháromszög alakú molekulája

A formaldehid (H₂CO) torzult síkháromszög alakú molekulája

A következő molekula szintén AX₃ szerkezetű, azonban ebben az esetben (szemben az SO₃-dal) nem szabályos síkháromszögről beszélhetünk

• Ha az X ligandumok nem egyformák, a kötésszögek kissé eltérhetnek, továbbá
• A kettős kötés nagyobb térigényű, mint az egyszeres, ezért a (legkisebb) kötésszög
• Kisebb, mint 120° (konkrétan: 117°)
• A formaldehid (CH₂O, a képen látható) és az etén (C₂H₄) pl. ilyen szerkezetű
• Poláris kovalens kötés jön létre, mert a szén elektronegativitása eltér a hidrogénétől és az oxigénétől
• A formaldehid poláris, mert a dipólusmomentum vektorok nem oltják ki egymást
• Az oxigén részlegesen negatív töltésű lesz
• Molekulái között nincsenek hidrogénkötések, mert a hidrogénatomok nem az oxigénhez kapcsolódnak. Ezt legkönnyebb megjegyezni úgy, hogy feltesszük magunknak a kérdés: mit csinál a nagymama? FON. FON-hoz (Fluor, Oxigén, Nitrogén valamelyikéhez) kapcsolódó hidrogénatomok esetén jöhet létre hidrogénkötés
• Take-home message:
• Ha az X ligandumok nem egyformák, a kötésszögek kissé eltérhetnek
• A kettős kötés nagyobb térigényű, mint az egyszeres
• FON-hoz (Fluor, Oxigén, Nitrogén valamelyikéhez) kapcsolódó hidrogénatomok esetén jöhet létre hidrogénkötés

A metán (CH₄) tetraéderes molekulája

A metán (CH₄) tetraéderes molekulája

Ha egy negyedik ligandum is kapcsolódik a központi atomhoz, akkor jutunk az első térbeli (3 dimenziós, tehát nem síkalkatú) AX₄ szerkezethez, amely

• Tetraéder alakú. Vigyázat! Papíron, 2 dimenzióban a ligandumok legtávolabb térben egy négyzet csúcsain helyezkednének el (90°-os kötésszöggel), azonban, ha térben képzeljük el, a tetraéder szögei
• pontosan 109,5° fokosak (ami több, mint 90°, ennek az elektronpárok örülnek). Szerencsére 4. dimenzió nem lesz, ne izguljatok. Legalábbis nem itt. Talán az egyetemen. Ott néha 64 is van.
• A metán (CH₄, a képen látható), CH_4-XCl_X, szilán (SiH₄), SiF₄, XeO₄ molekulák, illetve a szulfát (SO₄^2-) és foszfát (PO₄^3-) összetett ionok pl. ilyen szerkezetűek
• A szén és hidrogén között létrejövő kovalens kötés nagyon gyengén poláris
• A metán molekulája apoláris, mert a molekula szimmetrikus
• Molekulák között diszperziós kcsh.
• Take-home message:
• A tetraéderes szerkezetben a kötésszög pontosan 109,5°

A foszfor-pentaklorid (PCl₅) trigonális bipiramis alkatú molekulája

A foszfor-pentaklorid (PCl₅) trigonális bipiramis alkatú molekulája

AX₅ szerkezet

• Trigonális bipiramis alak, 3 ligandum egy síkban helyezkedik el (ekvatoriális helyzet), kettő erre merőlegesen (axiális helyzet), a kötésszög így
• 120° és 90°
• Ilyen szerkezetű pl. a képen látható foszfor-pentaklorid
• Az ekvatoriális és axiális szó két jövevényszó. Az előbbi az (Föld) egyenlítő szóból (equator) származik, így tulajdonképpen a „vízszintes síkot” jelenti, míg az axiális kifejezés „tengelyiárnyú”-t jelent, és mindig a függőleges ligandumokra utal
• Ha ebben a szerkezetben lecserélnénk egy ligandumot (X) egy nemkötő elektronpárra (E), akkor az utóbbi ekvatoriális helyzetbe kerülne, mert itt messzebb van (120°) a többi ligandumtól).
• A molekula apoláris, mert szimmetrikus
• Molekulák között diszperziós kcsh.
• Memo:
• A foszfor képes 5 kovalens kötést kialakítani

A kén-hexafluorid (SF₆) oktaéderes molekulája

A kén-hexafluorid (SF₆) oktaéderes molekulája

AX₆ szerkezet

• Oktaéder alakú, a kötésszög így
• 90°
• Az SF₆ (képen látható) pl. ilyen szerkezetű
• A molekula apoláris, mert szimmetrikus (6 kezű űrlény, durva)
• Molekulák között diszperziós kcsh.
• Memo:
• A kén képes 6 kovalens kötést kialakítani

A jód-heptafluorid (IF₇) pentagonális bipiramis alakú molekulája

A jód-heptafluorid (IF₇) pentagonális bipiramis alakú molekulája

AX₇ szerkezet

• Ötszög alapú bipiramis, 5 ligandum egy síkban, 2 pedig erre merőlegesen helyezkedik el, a kötésszögek így
• 72° és 90°
• A képen látható jód-heptafluorid például ilyen szerkezetű
• A molekula apoláris, mert szimmetrikus
• Molekulák között diszperziós kcsh.
• Memo:
• A jód akár 7 kovalens kötés kialakítására is képes

Folytatás következik

A folytatásban azon a molekulákról lesz szó, amelyek központi atomján van nemkötő elektronpár (E). Ezek a molekulák „torzult” szerkezetűek ezért szinte minden esetben polárisak lesznek. A nemkötő elektronpár térigénye nagyobb, mint a ligandumoké. A kötésszöget esetünkben úgy becsülhetjük meg, ha vesszük a ligandumok és nemkötő elektronpárok összegét (X+E; melyet sztérikus számnak is nevezünk) és azt mondjuk, hogy a kötésszög kisebb annál, mint ha ennyi ligandum (csak X) lenne a központi atomon. Ha például AX₂E₂ típusú molekuláról beszélünk, akkor X+E = 4, vagyis a kötésszög 109,5°-nál kisebb (mert X = 4 – tetraéder – esetén 109,5° lenne).

E témáról bővebben hamarosan itt olvashattok.