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

Oszd meg!

Megosztás itt: facebook
Megosztás itt: twitter
Megosztás itt: pinterest
Megosztás itt: linkedin

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.

Related Posts

Színes oldatok. Néhány kémcső alján láthattok szilárd anyagot is, ezek ún. telített oldatok.

Oldhatósággal kapcsolatos számolások

Itt beágyazott új videónkban, az emelt kémia érettségi számolási feladatinak sűrűn előforduló építőkövével, az oldhatósággal, illetve annak hőmérsékletfüggésével foglalkozunk. Lesz szó telített, telítetlen és túltelített