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

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

Nemkötő elektronpárok a központi atom körül

Az előző részben olyan molekulák térszerkezetét állapítottuk meg, ahol nem volt nemkötő elektronpár a központi atomon. A nemkötő elektronpár is fejt ki taszító hatást, sőt még taszítóbbat, mint a kovalens kötés (kötő elektronpár), így nagy szerepe van a térszerkezet kialakulásában. Ebben a posztban következzen néhány ilyen feladvány, segítségül most is a VSEPR-elméletet hívhatjuk (annyira szépen szól: Valence Shell Electron Pair Repulsion, Shakespeare nem tudott ilyeneket…). Ismét hosszú, de ismét érdemes elolvasni, mert olyan – a kémia érettségin és az életben is – gyakran előforduló molekulák téralkatát tudjátok majd meg, mint az ammónia (NH3), a víz (H2O) vagy a kén-dioxid (SO2).

És most következzenek azok a molekulák, 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 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).

A kén-dioxid (SO2) V-alakú (angolul „bent”) molekulája

A kén-dioxid (SO2) V-alakú (angolul „bent”) molekulája

Kezdjük a legegyszerűbbel, ahol a két ligandum mellett egy nemkötő elektronpár található a központi atomon: AX2E szerkezet.

  • A molekula V-alakú
  • X+E = 3, tehát a kötésszögek meghatározásánál a síkháromszögből indulunk ki, a kötésszög így
  • Kisebb, mint 120°
  • A képen látható kén-dioxid (SO2) pl. ilyen szerkezetű
  • molekula poláris (a “kötélhúzás” során itt nem egymással szemben húzzák a kötelet, hanem többé-kevésbé egy irányba)
  • A dipólusmomentum vektorok nem oltják ki egymást, az oxigén részlegesen negatív töltésű
  • A molekulák között a legerősebb kcsh. a dipól-dipól kcsh.
  • Memo:
  • A harmadik periódustól az atomok akár annyi kötést képesek kialakítani, mint amennyi vegyértékelektronjuk van
  • Take-home message:
  • Azok a molekulák, melyek központi atomjának van nemkötő elektronpárja, szinte mindig polárisak

A víz (H2O) V-alakú molekulája

A víz (H2O) V-alakú molekulája

Adjunk még egy nemkötő elektronpárt a központi atomhoz: AX2E2 szerkezet, a molekula szintén

  • V-alakú, akárcsak a kén-dioxid, azonban
  • X+E = 4, tehát a kötésszögek meghatározásánál a tetraéderből indulunk ki, a kötésszög így
  • Kisebb, mint 109,5°
  • A víz (H2O, a képen látható), SCl2, SH2, SeH2, XeO2 és a hipoklórossav (HOCl) pl. ilyen szerkezetű
  • molekula poláris
  • A vízmolekulák közötti legerősebb kcsh. a hidrogénkötés, más központi atomok esetén dipól-dipól kcsh.
  • Take-home message:
  • Azokban a V-alakú molekulákban, ahol a központi atomon két nemkötő elektronpár található kisebb a kötésszög, mint azokban, ahol csak egy

Az ammónia (NH3) trigonális piramis alakú molekulája

Az ammónia (NH3) trigonális piramis alakú molekulája

Nézzük mit történik, ha három ligandum és egy nemkötő elektronpár található a központi atomon: AX3E szerkezet

  • Háromszög-alapú piramis (trigonális piramis)
  • X+E = 4, tehát a kötésszögek meghatározásánál szintén a tetraéderből indulunk ki, a kötésszög így
  • Kisebb, mint 109,5° (pontosan 107°)
  • Az ammónia (NH3, a képen látható), foszfin (PH3), AsH3, PCl3, XeO3 pl. ilyen szerkezetű
  • Az ammónia kötésszöge nagyobb, mint a vízé, hiszen az ammóniában csak 1, míg a vízben 2 nemkötő elektronpár található a központi atomon
  • molekula poláris
  • Az ammóniamolekulák közötti legerősebb kcsh. a hidrogénkötés, más központi atomok esetén a dipól-dipól kcsh.

A foszfin (PH3) trigonális piramis alakú molekulája

A foszfin (PH3) trigonális piramis alakú molekulája

Foszfin:

  • AX3E szerkezet
  • Trigonális piramis
  • A szerkezet megegyezik az ammóniáéval, de vessünk egy pillantást a kötésszögekre, amely itt pontosan
  • 94° vagyis kisebb, mint az ammónia esetében, ebből következik az alábbi
  • Take-home message:
  • Nagyobb központi atomtörzs esetében a nemkötő elektronpárok nagyobb térigényűek, így a kötésszög (azonos ligandumok esetén) kisebb

Az foszfor-triklorid (PCl3) trigonális piramis alakú molekulája

Az foszfor-triklorid (PCl3) trigonális piramis alakú molekulája

Foszfor-triklorid:

  • AX3E szerkezet
  • Trigonális piramis
  • A szerkezet megegyezik az ammóniáéval és a foszfinéval, de vessünk egy pillantást a kötésszögekre, amely itt pontosan
  • 98° vagyis nagyobb, mint az foszfin esetében, ebből következik az alábbi
  • Take-home message:
  • Nagyobb ligandum nagyobb térigényű, így a kötésszög (azonos ligandumok esetén) azonos atomtörzs esetében nagyobb

Az xenon-trioxid (XeO3) trigonális piramis alakú molekulája

Az xenon-trioxid (XeO3) trigonális piramis alakú molekulája

Következzen egy egzotikusabb példa, hogy lássuk, az eddig szerzett tudással simán meg tudunk oldani egy ilyen problémát: xenon-trioxid (XeO3), igen, ilyen létezik.

  • AX3E szerkezet (a nyolc vegyértékelektronból 6 kötésben az oxigénekkel, így marad egy nemkötő elektronpár), alakja így
  • Trigonális piramis, a kötésszög tehát
  • Kisebb, mint 109,5° (pontosan 90°, mert a Xe atomtörzs nagyon nagy)
  • A molekula poláris
  • Molekulák közötti legerősebb kcsh. a dipól-dipól kcsh.
  • Memo:
  • Nagyobb központi atomtörzs esetében a nemkötő elektronpárok nagyobb térigényűek, így a kötésszög (azonos ligandumok esetén) kisebb

A nitrogén dioxid (NO2) V-alakú, párosítatlan elektront tartalmazó molekulája

A nitrogén dioxid (NO2) V-alakú, párosítatlan elektront tartalmazó molekulája

A ravaszabb elmékben felmerülhet a kérdés, hogy mi a helyzet az olyan molekulákkal, melyeknek a központi atomján páratlan számú elektron található, főleg nitrogénvegyületek esetében. Nos, a helyzet egyszerűbb, mint gondolnánk: A VSEPR elmélet ezeket az elektronokat “fél elektronpárként” kezeli. Így a kötésszög mindig két érték között mozog félúton: a kérdéses molekulából képzett anionban és kationban található kötésszögek között. Vegyünk egy példát: A nitrogén-dioxid (NO2) kötésszögére vagyunk kíváncsiak. Az NO V-alakú (AX2E szerkezetű), a kötésszög így kisebb, mint 120°, pontosan (115°). Az NO+ lineáris (AX2 szerkezetű), a kötésszög így pontosan 180°. A NO2 tehát V-alakú, kötésszögét a két említett ion közé várjuk, és valóban értéke 134°. A szerkezet jelölése: AX2E0.5.

A fehérfoszfor (P4) molekulája, amely minden foszforatom körül trigonális piramis téralkatú

A fehérfoszfor (P4) molekulája, amely minden foszforatom körül trigonális piramis téralkatú

Következzen egy különlegesebb elemmolekula, a fehérfoszfor

  • A harmadik periódustól az atomok nem képesek egymás között többszörös kötéseket kialakítani, így “trükkösen” oldják meg, hogy kielégítsék “elektronszomjukat”
  • A foszfornak 3 elektronra van szüksége a nemesgáz-szerkezet eléréséhez, így négyen alkotnak egy tetraédert, melyben minden atom három másikhoz kapcsolódik egyszeres kovalens kötéssel
  • A szerkezet minden foszforatom körül trigonális piramis
  • A kötésszög mindössze 60° a feszített szerkezet miatt
  • Memo:
  • Az elemmolekulák mindig apolárisak
  • A molekulák közötti legerősebb kcsh. a diszperziós kcsh.
  • Take-home message:
  • A harmadik periódustól kezdve az elemek nem képesek önmagukkal többszörös kötést kialakítani

A kén (S8) nyolcatomos molekulája, amely minden kénatom körül V-alakú

A kén (S8) nyolcatomos molekulája, amely minden kénatom körül V-alakú

kén, hasonlóan a foszforhoz nem képes önmagával többszörös kötést kialakítani.

  • A nemesgáz szerkezet eléréséhez 2 elektronra van szüksége, így 2 kovalens kötést létesít
  • Az elemi kén 8 atomos gyűrűkből áll, ahol a kénatomok egyszeres kötéssel kapcsolódnak egymáshoz
  • Ha figyelmesen megnézitek a szerkezetet látható, hogy 4, illetve 5 atom két egymás feletti síkban helyezkedik el
  • A kénatomok körül V-alakú szerkezet alakul ki, a kötésszög
  • Kisebb, mint 109,5° pontosan (92,8°)
  • Memo:
  • Az elemmolekulák mindig apolárisak
  • A molekulák közötti legerősebb kcsh. a diszperziós kcsh.
  • A harmadik periódustól kezdve az elemek nem képesek önmagukkal többszörös kötést kialakítani

A szénsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A szénsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A következő vegyületek szervetlen oxosavak, melyekben több központi atom van, a képen látható a szénsav. Ilyenkor minden központi atom körül külön definiálhatjuk a téralkatot.

  • szénatom körül AX3 (síkháromszög) szerkezet alakul ki, a kötésszög
  • < 120°, a kettős kötés nagyobb térigénye miatt
  • Az oxigénatom körül AX2E2 (V-alakú) szerkezet alakul ki, a kötésszög (ugyanígy a salétromsavban a foszforsavban és kénsavban)
  • < 109°
  • A molekula poláris
  • A molekulák közötti legerősebb kcsh. a hidrogénkötés

A salétromsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A salétromsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

salétromsavban

  • A nitrogénatom körül AX3 (síkháromszög) szerkezet alakul ki, a kötésszög
  • Kisebb, mint 120°, a kettős kötések nagyobb térigénye miatt
  • A molekula poláris
  • A molekulák közötti legerősebb kcsh. a hidrogénkötés

A foszforsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A foszforsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A foszforsavban

  • A foszforatom körül AX4 (tetraéderes) szerkezet alakul ki, a kötésszög
  • < 109,5° a kettős kötés nagyobb térigénye miatt
  • A molekula poláris
  • A molekulák közötti legerősebb kcsh. a hidrogénkötés

A kénsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A kénsav molekulája, amely több központi atomot is tartalmaz

A kénsavban

  • A kénatom körül AX4 (tetraéderes) szerkezet alakul ki, a kötésszög
  • < 109,5°, a kettős kötések nagyobb térigénye miatt
  • A molekula poláris
  • A molekulák közötti legerősebb kcsh. a hidrogénkötés

Összefoglalás

Foglaljuk tehát össze a legfontosabb dolgokat. A központi atomot tartalmazó molekulákban a központi atom körül a téralkatot a VSEPR-elmélet segítségével állapíthatjuk meg. Ez azon alapul, hogy a kötő és nemkötő elektronpárok taszítják egymást és a lehető legmesszebb helyezkednek el egymástól. A kémia érettségin gyakran előforduló téralkatok a lineáris (CO2), a síkháromszöges (SO3) és a tetraéderes (CH4), vagy ha nemkötő elektronpár is van a kp-i atomon akkor a V-alakú (SO2, H2O) vagy a trigonális piramis (NH3). A fontos szabályok, amiket megállapítottunk a téralkatok vizsgálata közben.
  • A lineáris esetben 180°, a síkháromszögesben 120°, a tetraéderesben 109,5° a kötésszög
  • A π kötés nagyobb térigényű, mint a σ (ld. formaldehid)
  • Az nemkötő elektronpár nagyobb térigényű, mint a kötő (ld. víz, kén-dioxid, ammónia)
  • Nagyobb központi atomtörzs esetén kisebb kötésszög (pl. víz vs. kén-hidrogén)
  • A szimmetrikus molekulák, melyek központi atomján nincs nemkötő elektronpár és minden ligandum ugyanolyan, apolárisak
  • Ha egy központi atomon többféle ligandum van, vagy nemkötő elektronpár, a molekula poláris

Share:

Megosztás itt: facebook
Facebook
Megosztás itt: twitter
Twitter
Megosztás itt: pinterest
Pinterest
Megosztás itt: linkedin
LinkedIn

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük

Related Posts

Kémia számolás

Kémia számolás videóink

Kémia számolás videóink a Youtube-on – emelt szintű érettségire készülőknek Eddig 9, az általános, szervetlen és a szerves kémia témaköreit is felölelő számolásos megoldóvideót töltöttünk

Csapadékok kémiája

Csapadékok kémiája

Csapadékok kémiája Gyűjtemény és tendenciák, avagy minden, ami a kémia érettségin jól jöhet Kémiát tanulni ugyan nem egyszerű feladat, sőt be kell látnunk, hogy az