Μοριακή Γεωμετρία — Θεωρία VSEPR και Σχήματα

Η μοριακή γεωμετρία είναι το τρισδιάστατο σχήμα ενός μορίου. Στα περισσότερα εισαγωγικά μαθήματα χημείας, προβλέπεις αυτό το σχήμα με τη θεωρία VSEPR: οι περιοχές ηλεκτρονιακής πυκνότητας γύρω από ένα κεντρικό άτομο απωθούνται μεταξύ τους, οπότε διατάσσονται όσο το δυνατόν πιο μακριά.

Ο πιο γρήγορος τρόπος να το σκεφτείς είναι ο εξής: πρώτα μέτρα τις ηλεκτρονιακές περιοχές και μετά ξεχώρισε τη γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών από τη μοριακή γεωμετρία. Τα μονήρη ζεύγη δεν είναι άτομα, αλλά καταλαμβάνουν χώρο, οπότε μπορούν να αλλάξουν το σχήμα και τις γωνίες δεσμού.

Πώς η VSEPR προβλέπει τη μοριακή γεωμετρία

Το VSEPR σημαίνει Απώθηση Ζευγών Ηλεκτρονίων Σθένους. Το μοντέλο θεωρεί κάθε περιοχή ηλεκτρονιακής πυκνότητας γύρω από το κεντρικό άτομο ως μία περιοχή που απωθεί τις υπόλοιπες.

Για τη βασική καταμέτρηση στη VSEPR:

• ένας απλός δεσμός μετρά ως μία περιοχή
• ένας διπλός δεσμός μετρά ως μία περιοχή
• ένας τριπλός δεσμός μετρά ως μία περιοχή
• ένα μονήρες ζεύγος μετρά ως μία περιοχή

Αυτό το τελευταίο σημείο είναι εκείνο που συνήθως παραβλέπουν οι μαθητές. Δύο μόρια μπορεί να έχουν τον ίδιο συνολικό αριθμό ηλεκτρονιακών περιοχών αλλά διαφορετική μοριακή γεωμετρία, αν το ένα έχει μονήρη ζεύγη και το άλλο όχι.

Συνήθη σχήματα μοριακής γεωμετρίας

Αυτός ο πίνακας καλύπτει τα σχήματα που εμφανίζονται πιο συχνά στη χημεία πρώτου έτους:

Ηλεκτρονιακές περιοχές στο κεντρικό άτομο	Μονήρη ζεύγη στο κεντρικό άτομο	Μοριακή γεωμετρία	Συνηθισμένο παράδειγμα
2	0	γραμμική	$CO_2$
3	0	τριγωνική επίπεδη	$BF_3$
3	1	γωνιακή	$SO_2$
4	0	τετραεδρική	$CH_4$
4	1	τριγωνική πυραμιδοειδής	$NH_3$
4	2	γωνιακή	$H_2O$
5	0	τριγωνική διπυραμιδοειδής	$PCl_5$
5	1	τραπεζοειδής	$SF_4$
5	2	σχήματος Τ	$ClF_3$
5	3	γραμμική	$XeF_2$
6	0	οκταεδρική	$SF_6$
6	1	τετραγωνική πυραμιδοειδής	$BrF_5$
6	2	τετραγωνική επίπεδη	$XeF_4$

Αυτά είναι συνηθισμένα πρότυπα της VSEPR, όχι ένας κανόνας που ταιριάζει τέλεια σε κάθε μόριο. Η VSEPR λειτουργεί καλύτερα ως ένα πρώτο μοντέλο για πολλά μόρια κύριων ομάδων και πολυατομικά ιόντα.

Γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών έναντι μοριακής γεωμετρίας

Αυτή η διάκριση οδηγεί σε πολλές λανθασμένες απαντήσεις.

Η γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών περιγράφει τη διάταξη όλων των ηλεκτρονιακών περιοχών γύρω από το κεντρικό άτομο, συμπεριλαμβανομένων των μονήρων ζευγών. Η μοριακή γεωμετρία περιγράφει τη διάταξη μόνο των ατόμων.

Για παράδειγμα, το $H_2O$ έχει τέσσερις ηλεκτρονιακές περιοχές γύρω από το οξυγόνο, οπότε η γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών του είναι τετραεδρική. Όμως μόνο δύο από αυτές τις περιοχές είναι άτομα δεσμευμένα με το οξυγόνο, άρα η μοριακή γεωμετρία του είναι γωνιακή.

Λυμένο παράδειγμα: γιατί το νερό είναι γωνιακό

Χρησιμοποίησε το $H_2O$ ως βασικό παράδειγμα.

Πρώτα, σχεδίασε τη δομή Lewis. Το οξυγόνο είναι το κεντρικό άτομο, συνδέεται με δύο υδρογόνα και έχει δύο μονήρη ζεύγη.

Τώρα μέτρα τις ηλεκτρονιακές περιοχές γύρω από το οξυγόνο:

• δύο δεσμοί $O-H$
• δύο μονήρη ζεύγη

Αυτό δίνει τέσσερις ηλεκτρονιακές περιοχές.

Τέσσερις ηλεκτρονιακές περιοχές δίνουν τετραεδρική γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών. Αν και οι τέσσερις περιοχές ήταν δεσμικά ζεύγη, το μοριακό σχήμα θα ήταν επίσης τετραεδρικό, όπως στο $CH_4$. Όμως στο νερό, δύο από τις περιοχές είναι μονήρη ζεύγη.

Άρα η μοριακή γεωμετρία είναι γωνιακή, όχι τετραεδρική.

Αυτό εξηγεί και τη γωνία δεσμού. Μια ιδανική τετραεδρική γωνία είναι περίπου $109.5^\circ$, αλλά η γωνία $H-O-H$ στο νερό είναι μικρότερη, περίπου $104.5^\circ$. Στο μοντέλο VSEPR, τα μονήρη ζεύγη απωθούν ισχυρότερα από τα δεσμικά ζεύγη, οπότε σπρώχνουν τους δύο δεσμούς $O-H$ πιο κοντά μεταξύ τους.

Αυτό το ένα παράδειγμα αποτυπώνει τη βασική ιδέα: η γεωμετρία εξαρτάται τόσο από τον συνολικό αριθμό των ηλεκτρονιακών περιοχών όσο και από το πόσες από αυτές είναι μονήρη ζεύγη.

Πώς να προσδιορίσεις τη μοριακή γεωμετρία βήμα προς βήμα

Χρησιμοποίησε αυτή τη σειρά για τα περισσότερα εισαγωγικά προβλήματα:

1. Σχεδίασε μια λογική δομή Lewis.
2. Εντόπισε το κεντρικό άτομο.
3. Μέτρα τις ηλεκτρονιακές περιοχές γύρω από αυτό το κεντρικό άτομο.
4. Αντιστοίχισε τη γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών από τον αριθμό των περιοχών.
5. Αγνόησε τα μονήρη ζεύγη όταν ονομάζεις τη μοριακή γεωμετρία, αλλά μην τα αγνοείς όταν σκέφτεσαι την άπωση και τις γωνίες δεσμού.

Αν η δομή Lewis είναι λανθασμένη, συνήθως θα είναι λανθασμένη και η γεωμετρία. Η VSEPR ξεκινά από τη δομή, όχι από την απομνημόνευση ενός πίνακα σχημάτων από μόνη της.

Συνηθισμένα λάθη σε προβλήματα VSEPR

Να μετράς έναν πολλαπλό δεσμό ως περισσότερες από μία περιοχές

Στη VSEPR, ένας διπλός ή τριπλός δεσμός εξακολουθεί να μετρά ως μία ηλεκτρονιακή περιοχή γύρω από το κεντρικό άτομο. Η ηλεκτρονιακή πυκνότητα κατανέμεται διαφορετικά, αλλά για τη βασική γεωμετρική καταμέτρηση παραμένει μία περιοχή.

Σύγχυση μεταξύ γεωμετρίας ηλεκτρονιακών περιοχών και μοριακής γεωμετρίας

Γι’ αυτό οι μαθητές συχνά λένε ότι το νερό είναι τετραεδρικό. Το νερό είναι τετραεδρικό μόνο ως προς τη γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών. Η μοριακή γεωμετρία του είναι γωνιακή.

Να αγνοείς τα μονήρη ζεύγη

Τα μονήρη ζεύγη δεν φαίνονται ως άτομα στο τελικό όνομα του σχήματος, αλλά επηρεάζουν έντονα τη γεωμετρία και συχνά μειώνουν τις γωνίες δεσμού σε σχέση με την ιδανική τιμή.

Να θεωρείς τη VSEPR ακριβή σε κάθε περίπτωση

Η VSEPR δίνει μια χρήσιμη πρώτη πρόβλεψη, ιδιαίτερα για πολλά είδη κύριων ομάδων. Είναι λιγότερο αξιόπιστη όταν ο δεσμός είναι πιο πολύπλοκος, όπως σε πολλές ενώσεις μετάλλων μετάπτωσης ή σε περιπτώσεις όπου χρειάζεται μια πιο λεπτομερής τροχιακή περιγραφή.

Πότε έχει σημασία η μοριακή γεωμετρία

Η μοριακή γεωμετρία χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη γωνιών δεσμού, πολικότητας και τάσεων δραστικότητας. Βοηθά επίσης να εξηγηθεί γιατί μόρια με τα ίδια άτομα μπορούν να συμπεριφέρονται διαφορετικά, αν έχουν διαφορετικά σχήματα.

Για παράδειγμα, το σχήμα σε βοηθά να σκεφτείς αν οι διπολικές ροπές δεσμού αλληλοαναιρούνται, αν ένα μόριο είναι πιθανό να είναι πολικό και πώς είναι τοποθετημένα τα άτομα για διαμοριακές αλληλεπιδράσεις ή αντιδράσεις.

Δοκίμασε ένα παρόμοιο μόριο

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με $NH_3$ ή $CO_2$. Σχεδίασε τη δομή Lewis, μέτρα τις ηλεκτρονιακές περιοχές γύρω από το κεντρικό άτομο και ονόμασε τόσο τη γεωμετρία ηλεκτρονιακών περιοχών όσο και τη μοριακή γεωμετρία.

Αν θέλεις να πας ένα βήμα παραπέρα, σύγκρινε το σχήμα που βρήκες με την πολικότητα του μορίου και αναρωτήσου αν οι διπολικές ροπές δεσμού αλληλοαναιρούνται.