Molekyyligeometria
Molekyyligeometria kuvaa atomiydinten kolmiulotteista järjestystä. Rakenteen taustalla on elektronien kvanttimekaaninen energia, mutta VSEPR-malli antaa monille pääryhmäyhdisteille nopean tavan ennustaa muotoja elektronialueiden lukumäärän avulla.
Elektronialueet
VSEPR:ssa yksöis-, kaksois- ja kolmoissidos lasketaan kukin yhdeksi elektronialueeksi, samoin vapaa elektronipari. Alueet järjestyvät niin, että voimakkaat keskinäiset repulsiot pienenevät.
Kaksi–neljä aluetta
Kaksi aluetta antaa lineaarisen elektronigeometrian, kolme trigonaalisen tasomaisen ja neljä tetraedrisen. Ihanteelliset kulmat ovat noin 180°, 120° ja 109,5°, mutta todelliset kulmat voivat poiketa.
Vapaat elektroniparit
Vapaa pari vie usein enemmän avaruudellista aluetta kuin sidospairi ja voi pienentää sidoskulmia. NH₃ on trigonaalipyramidaalinen ja H₂O kulmallinen, vaikka molemmilla on neljän alueen tetraedrinen elektronialuegeometria.
Viisi ja kuusi aluetta
Viisi aluetta johtaa trigonaalibipyramidaaliseen ja kuusi oktaedriseen perusgeometriaan. Vapaat parit voivat tuottaa keinutuolin, T-muodon, neliöpyramidin tai neliötason kaltaisia molekyylimuotoja.
Moninkertaiset sidokset
Moninkertainen sidos lasketaan yhdeksi alueeksi mutta voi hylkiä hieman voimakkaammin kuin yksinkertainen sidos. Siksi todelliset kulmat eivät aina vastaa ideaalilukuja.
VSEPR:n rajat
Siirtymämetallikompleksit, delokalisoituneet järjestelmät ja elektronisesti monimutkaiset molekyylit vaativat ligandikenttä- tai molekyyliorbitaaliteoriaa. VSEPR on malli, ei universaali voimalaiteoria.
Geometria ja ominaisuudet
Muoto vaikuttaa polariteettiin, orbitaalien päällekkäisyyteen, reaktiivisuuteen ja biologiseen tunnistukseen. Saman molekyylikaavan eri avaruusrakenteet voivat siksi käyttäytyä hyvin eri tavoin.
Elektronigeometria vs molekyyligeometria
On hyödyllistä erottaa kaikkien elektronialueiden geometria siitä, missä atomiytimet sijaitsevat. H₂O:ssa elektronialueet ovat likimain tetraedriset, mutta kaksi vapaata paria eivät näy atomipaikkoina, joten molekyylimuoto on kulmallinen.
Sidoskulmien hienous
Vapaat parit ja moninkertaiset sidokset muuttavat ideaalista VSEPR-kulmaa. Lisäksi substituenttien koko ja elektronegatiivisuus voivat siirtää kulmia. Tarkat arvot tulevat kokeesta tai kvanttikemiallisesta laskusta.
Kiraalisuus
Kolmiulotteinen geometria voi tehdä molekyylistä kiraalisen, jolloin peilikuvat eivät ole päällekkäisiä. Enantiomeereillä on monia samoja fysikaalisia ominaisuuksia mutta ne voivat käyttäytyä hyvin eri tavoin kiraalisessa biologisessa ympäristössä.
Harjoitus
Mikä on NH₃:n molekyylimuoto ja miksi se ei ole tetraedri atomien suhteen?
Ratkaisu
N:n ympärillä on neljä elektronialuetta, joista yksi on vapaa pari. Atomit muodostavat trigonaalipyramidin.