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
• A 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
• A 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
• A 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: AX₂E_0.5.

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

A 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.

• A 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

A 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