Molekylgeometri

Formen begynder med elektrondomæner

VSEPR-modellen placerer elektronpar omkring et centralatom, så deres indbyrdes frastødning bliver så lille som muligt. En enkelt-, dobbelt- eller tripelbinding tæller som ét elektrondomæne; et frit elektronpar tæller også som ét domæne.

To domæner giver lineær elektrongeometri, tre trigonal-plan, fire tetraedrisk, fem trigonal-bipyramidal og seks oktaedrisk. Molekylgeometrien beskriver kun atomernes placering og kan derfor være forskellig fra elektrongeometrien, når der er frie elektronpar.

Fire domæner viser forskellen tydeligt

Frie elektronpar optager plads og giver relativt stærk frastødning. Derfor er H–O–H-vinklen mindre end den ideelle tetraedriske vinkel på 109,5°, og H–N–H-vinklen i NH₃ er også komprimeret.

Flerdobbelte bindinger tæller som ét domæne

I CO₂ er hver C=O-dobbeltbinding ét domæne omkring carbon. To domæner placeres 180° fra hinanden. Hvis hver tegnet bindingsstreg tælles som et særskilt domæne, bliver formforudsigelsen forkert.

VSEPR-udforsker

Vælg antal domæner og frie elektronpar for en indledende forudsigelse. Værktøjet antager ét centralatom og erstatter ikke en fuld elektronisk analyse.

VSEPR er en model, ikke en mikroskopisk årsag

VSEPR er meget nyttig for mange hovedgruppemolekyler, men forklarer ikke alene den kvantemekaniske oprindelse af binding. Hybridisering bør heller ikke forstås som en fysisk mekanisme, der “tvinger” et molekyle til en bestemt form; det er en måde at beskrive orbitaler i en bindingsmodel.

Systemer med stærk delokalisering, radikaler, hypervalente forbindelser og mange overgangsmetalkomplekser kan kræve molekylorbitalteori, ligandfeltteori eller eksperimentelle strukturdata.

I virkelige molekyler er bindingsvinkler ikke fastlåste ved de ideelle VSEPR-værdier. Atomstørrelse, forskellige ligander, flerbindinger og elektronisk delokalisering kan forskyde vinklerne. Derfor er 109,5° et vigtigt referencepunkt for en ideal tetraedrisk geometri, ikke et tal som alle fire-domæne-molekyler skal have.

Fra Lewis-struktur til AX_nE_m

Den fulde arbejdsgang begynder med valenselektronerne og en rimelig Lewis-struktur. Omkring centralatomet tæller hver binding som ét elektrondomæne — også en dobbelt- eller tripelbinding — og hvert frit elektronpar tæller også som ét domæne.

Notation AX_nE_m samler centralatom A, n bundne atomer X og m frie elektronpar E. VSEPR forudsiger først en domænefordeling med mindst mulig frastødning; når den molekylære form navngives, udelades de frie elektronpars positioner.

Den kvalitative rækkefølge for frastødning er frit par–frit par > frit par–bindingspar > bindingspar–bindingspar. Derfor falder vinklen fra CH₄ (109,5°) via NH₃ (ca. 107°) til H₂O (ca. 104,5°).

Fem domæner: aksiale og ækvatoriale positioner

En trigonal-bipyramidal geometri har to typer positioner. En aksial position har tre 90°-interaktioner, mens en ækvatorial kun har to. Et frit elektronpar foretrækker derfor normalt en ækvatorial position: SF₄ får en vippeform, og ClF₃ får en T-form.

Seks domæner danner en oktaedrisk fordeling. Ét frit elektronpar giver en kvadratisk-pyramidal form; to modstående frie elektronpar kan efterlade en kvadratisk-planar molekylform, som i XeF₄.

Almindelige former og eksempler

At læse et 3D-molekyle på en 2D-side

En almindelig streg ligger omtrent i papirets plan, en udfyldt kile peger mod læseren, og en skraveret kile peger væk. Symbolerne angiver rumlig orientering, ikke forskellige bindingstyper.

Et tetraedrisk carbonatom kan ikke vises korrekt som fire 90°-bindinger på papir. Kile-symbolerne minder om, at den virkelige vinkel er omkring 109,5°. Hybridiseringsetiketter som sp³ kan være nyttige senere, men de er ikke nødvendige for at udføre en VSEPR-forudsigelse.

Lokal geometri, konformation og målinger

VSEPR beskriver den lokale geometri omkring ét center. Et større molekyle kan have flere sådanne centre og stadig antage mange konformationer, fordi enkeltbindinger kan rotere. I ethan forbliver hvert carbon omtrent tetraedrisk, mens rotation om C–C giver forskudte og eclipsede konformationer.

Virkelige vinkler og bindingslængder er eksperimentelle data. Rotationsspektroskopi, røntgen- eller neutrondiffraktion og elektrondiffraktion kan bestemme molekylgeometri. VSEPR er stærk for mange hovedgruppeforbindelser, men forudsiger ikke bindingsenergier, spektre eller magnetisme og kan svigte for overgangsmetalkomplekser.

Gennemarbejdet vej: fra Lewis til form

Logikken er den samme hver gang: tæl domæner, bestem domænegeometrien og udelad derefter de frie elektronpars positioner, når den molekylære form navngives.

Flerdobbelte bindinger og virkelige vinkler

En dobbelt- eller tripelbinding tæller som ét VSEPR-domæne, fordi den optager én retning fra centralatomet, men den større elektrontæthed kan frastøde nabodomæner lidt kraftigere end en enkeltbinding.

Virkelige bindingsvinkler er målte størrelser, ikke nøjagtige resultater af en simpel domænetælling. Substituentstørrelse, flerdobbelte bindinger, elektronegativitet og frie elektronpars karakter kan flytte vinklerne fra de ideelle værdier.

Geometrien påvirker også molekylær polaritet, sterisk tilgængelighed og orbitalers indbyrdes retning og dermed intermolekylære interaktioner og reaktionsveje.

Løste opgaver