|
Nie obrażaj więc mojej inteligencji poprzez czynione na pokaz zaniżanie własnej.
KSZTAŁTY CZ
Ą STECZEK I JONÓW. METODA VSEPR Teoria VSEPR (ang. Valence Shell Electron Pair Repulsion – odpychanie si ę elektronów powłoki walencyjnej) jest uproszczonym sposobem przewidywania kształtu kowalencyjnych cz ą steczek pierwiastków grup głównych układu okresowego (grup 1, 2 oraz 13 do 18) w oparciu o elektrostatyczne oddziaływania mi ę dzy sob ą elektronów powłok walencyjnych poł ą czonych ze sob ą atomów. Metoda ta została opracowana w 1940 roku przez N. V. Sidgwicka i H.M. Powella, a pó ź niej rozwini ę ta przez R. Gillespie’ego oraz R. Nyholma (w 1957 r). Według niej o budowie przestrzennej cz ą steczki decyduje ł ą czna liczba elektronów walencyjnych wokół atomu centralnego oraz orientacja przestrzenna obszarów orbitalnych, w których mieszcz ą si ę te elektrony. Wi ą zania chemiczne oraz wolne pary elektronowe s ą obszarami o du ż ej g ę sto ś ci elektronów (domeny elektronowe). Zgodnie z prawem Kulomba jednoimienne ładunki odpychaj ą si ę , a w zwi ą zku z tym niewi ążą ce pary elektronowe (ew. niesparowane elektrony) oraz elektrony wi ą za ń chemicznych zajmuj ą takie poło ż enia wokół atomu centralnego, aby siły ich wzajemnego odpychania si ę były mo ż liwie jak najmniejsze. Sił ę odpychania si ę par elektronowych jako ś ciowo mo ż na uszeregowa ć malej ą co w kolejno ś ci: 1. Najsilniej odpychaj ą si ę miedzy sob ą niewi ążą ce pary elektronowe, 2. Słabsze s ą oddziaływania niewi ążą cych par elektronowych z elektronami wi ą za ń chemicznych, 3. Najsłabiej odpychaj ą si ę pary elektronowe wi ą za ń chemicznych. W ko ń cu lat 90 XX wieku R. Gillespie i E. Robinson opracowali rozszerzenie teorii VSEPR nazywane modelem najg ę stszego upakowania ligandów (ang. LCP – skrót od ligand close packing). Zamiast siły odpychania si ę par elektronowych w tym modelu rozwa ż a si ę jako ś ciowo obj ę to ś ci zajmowane przez pary elektronowe wi ą za ń oraz niewi ążą ce pary elektronowe, a tak ż e wpływ elektroujemno ś ci tworz ą cych cz ą steczk ę pierwiastków na obj ę to ś ci wi ążą cych par elektronowych. Prowadzi to do równowa ż nych do metody VSEPR reguł, pozwalaj ą cych dodatkowo przewidywa ć dokładniej kierunek zmian k ą tów walencyjnych w zale ż no ś ci od elektroujemno ś ci pierwiastków tworz ą cych cz ą steczki lub jony: 1. Wolne pary elektronowe zajmuj ą wi ę cej przestrzeni ni ż pary wi ążą ce, 2. Pierwiastki o wi ę kszej elektroujemno ś ci silniej wi ążą pary elektronowe, a wi ę c pary wi ążą ce z tymi pierwiastkami zajmuj ą nieco mniejsz ą przestrze ń , 3. Wi ą zania wielokrotne potrzebuj ą wi ę cej przestrzeni dla par wi ążą cych ni ż wi ą zania pojedyncze. 1 Zarówno metoda VSEPR jak i LCP dotyczy tylko zwi ą zków o zlokalizowanych parach elektronowych utworzonych z pierwiastków grup głównych. Reguły obu metod stosuje si ę najcz ęś ciej pod nazw ą VSEPR. Aby przy u ż yciu metody VSEPR (lub LCP) przyst ą pi ć do okre ś lenia kształtu cz ą steczki AX m E n (gdzie: A symbolizuje atom centralny; m jest liczba podstawników X przy atomie centralnym, a n jest liczb ą wolnych par elektronowych E przy atomie centralnym) nale ż y: 1. Narysowa ć poprawny wzór Lewisa dla rozpatrywanej cz ą steczki (w zasadzie wystarcza tylko znajomo ść sekwencji atomów), 2. Wyznaczy ć liczb ę wi ążą cych par m elektronowych przy atomie centralnym (nazywan ą równie ż liczb ą par elektronowych tworz ą cych wi ą zania σ – jest to po prostu liczba podstawników (ligandów) otaczaj ą cych rozpatrywany atom centralny (mi ę dzy dwoma atomami mo ż e wyst ę powa ć tylko jedno wi ą zanie σ ), 3. Wyznaczy ć liczb ę wolnych par elektronowych przy atomie centralnym n ze wzoru: n =1/2(V + C – O) gdzie; V – liczba elektronów walencyjnych atomu centralnego, C – liczba ładunków ujemnych jonu (ładunki dodatnie odejmuje si ę , a dla oboj ę tnej cz ą steczki C = 0), O – liczba elektronów potrzebnych do uzupełnienia oktetów (dubletów) atomów otaczaj ą cych atom centralny. Sum ę n + m nazywa si ę liczb ą przestrzenn ą Lp (lub liczb ą orbitali zhybrydyzowanych LH). Uwaga! – ze wzgl ę dów formalnych ładunek jonu C umieszcza si ę zawsze na atomie centralnym i przy takim zało ż eniu oblicza si ę liczb ę elektronów potrzebnych do uzupełnienia oktetów (dubletów) atomów otaczaj ą cych atom centralny O . Je ż eli suma elektronów walencyjnych atomu centralnego i otaczaj ą cych go atomów jest nieparzysta lub liczba wolnych par elektronowych (równie ż liczba przestrzenna) jest połówkowa, to mamy do czynienia z rodnikami . Niektóre rodniki s ą do ść trwałe termodynamicznie ale zazwyczaj bardzo reaktywne chemicznie. Mniej reaktywne rodniki spotykane w chemii nieorganicznej to tlenek azotu(II) NO (11 elektronów walencyjnych), tlenek azotu(IV) NO 2 (17 e. w.) i ClO 2 (19 e. w.). Pojedynczy elektron znajduj ą cy si ę na orbitalu niewi ążą cym słabiej odpycha si ę z parami elektronowymi wi ą za ń ni ż wolna para elektronowa (patrz przykład n ). Niesparowany elektron umieszcza si ę zawsze we wzorze Lewisa na atomie o ni ż szej elektroujemno ś ci, a jego wpływ na kształt cz ą steczki jest znikomy. 2 Liczba przestrzenna LH (liczba orbitali zhybrydyzowanych) okre ś la dla atomu centralnego kierunki, w jakich rozmieszczone s ą ligandy i wolne pary elektronowe. Rzeczywisty kształt cz ą steczki okre ś la si ę pomijaj ą c wolne pary elektronowe. Nazwy kształtów cz ą steczek dla poszczególnych liczb przestrzennych oraz liczb wolnych par elektronowych podaje Tabela 1. Tabela 1 . Otoczenie elektronowe atomu centralnego oraz kształt cz ą stek w zale ż no ś ci od liczby przestrzennej oraz liczby wolnych par elektronowych (kolorem ż ółtym zaznaczono wolne pary elektronowe) Lp Typ cz Ą steczki Hybrydy- zacja Otoczenie elektronowe Kształt cz Ą steczki Geometria cz Ą steczki Przykłady 2 AX 2 E 0 sp Linia BeCl 2 , CO 2 3 AX 2 E 1 sp 2 Zgi Ę ty (k Ą towy lub Litera V) NO 2 − , SO 2 , O 3 sp 2 Trójk Ą t BF 3 , CO 3 2− , NO 3 − , SO 3 3 AX 3 E 0 4 AX 2 E 2 sp 3 Zgi Ę ty (k Ą towy lub Litera V) H 2 O, OF 2 Piramida NH 3 , PCl 3 sp 3 4 AX 3 E 1 trygonalna sp 3 CH 4 , PO 4 3− , SO 4 2− , ClO 4 − 4 AX 4 E 0 Tetraedr 3 XeF 2 , I 3 − 5 AX 2 E 3 sp 3 d Linia 5 AX 3 E 2 sp 3 d Litera T ClF 3 , BrF 3 5 AX 4 E 1 sp 3 d Bisfenoid (zniekszt.tetraedr) SF 4 (albo hu Ś tawka) 5 AX 5 E 0 sp 3 d Bipiramida PCl 5 trygonalna 6 AX 4 E 2 sp 3 d 2 kwadrat XeF 4 Piramida kwadratowa 6 AX 5 E 1 sp 3 d 2 ClF 5 , BrF 5 sp 3 d 2 6 AX 6 E 0 Oktaedr SF 6 6 AX 6 E 1 sp 3 d 3 Piramida pentagonalna XeF 6 7 AX 7 E 0 sp 3 d 3 Bipiramida pentagonalna IF 7 Rysunki pochodz Ą z: http://en.wikipedia.org/wiki/VSEPR 4 Kształty cz ą steczek lub jonów podane na rysunkach pokazuj ą kierunki „wyidealizowane” (wynikaj ą one z zało ż enia, ż e wszystkie oddziaływania s ą jednakowe). Kierunki te odpowiadaj ą podanemu obok typowi hybrydyzacji atomu centralnego. W rzeczywisto ś ci ró ż nice w mocy oddziaływa ń oraz przesuni ę cia elektronów w kierunku atomów o wi ę kszej elektroujemno ś ci zmieniaj ą nieco kształty cz ą stek. Rozszerzona teoria VSEPR jest w stanie dla wi ę kszo ś ci przypadków te odkształcenia przewidzie ć jako zmniejszenie lub zwi ę kszenie k ą tów walencyjnych w stosunku do kształtu „idealnego” Przykłady a) Cz ą steczka typu AX 2 E 0 (m = 2, n = 0), liczba przestrzenna Lp = 2 dygonalna .. .. .. (+1) (-1) : .. : : : .. .. BeCl 2 (gaz) Cl Be Cl , N 2 O N N O , CO 2 O C O Ze wzorów Lewisa wynika , ż e dla wszystkich cz ą steczek m = 2 (atom centralny otaczaj ą tylko dwa inne atomy) BeCl 2 n =1/2(V + C – O) = ½(2 + 0 - 2) = 0 N 2 O n =1/2(V + C – O) = ½(5 + 0 - 5) = 0 CO 2 n =1/2(V + C – O) = ½(4 + 0 - 4) = 0 st ą d dla wszystkich cz ą steczek w tym przykładzie Lp = 2 + 0 = 2 Geometria wokół atomu centralnego (hybrydyzacja sp) jest dygonalna, a kształt cz ą steczek typu AX 2 E 0 – liniowy. Okre ś l kształt cz ą steczek C 2 H 2 (uwaga – rozpatrzy ć osobno dwa atomy w ę gla) i HCN (rozwa ż 2 izomery HCN i HNC) 5 |
Menu
|