Geometria cząsteczek

Najpierw policz domeny elektronowe

Pojedyncze, podwójne i potrójne wiązanie liczy się w VSEPR jako jedna domena kierunkowa. Każda para wolna jest kolejną domeną. Dwie domeny dają układ liniowy, trzy trygonalny płaski, cztery tetraedryczny.

Zapis AXE oddziela atomy związane X od par wolnych E. AX₄ to tetraedr, AX₃E daje piramidę trygonalną, a AX₂E₂ prowadzi do kształtu kątowego.

Pary wolne silniej ściskają kąty

Gęstość pary wolnej jest bardziej skupiona przy atomie centralnym niż gęstość wspólnej pary wiążącej i zwykle silniej odpycha sąsiednie domeny. Dlatego CH₄ ma idealnie około 109,5°, NH₃ około 107°, a H₂O około 104,5°.

Te liczby są pomiarami rzeczywistych struktur, a nie magicznymi stałymi VSEPR. Rodzaj podstawników, elektroujemność i wiązania wielokrotne mogą dodatkowo przesuwać kąty.

Pięć i sześć domen

Pięć domen tworzy bipiramidę trygonalną z pozycjami osiowymi i równikowymi. Para wolna preferuje pozycję równikową, bo ma tam mniej oddziaływań pod kątem 90°. Stąd AX₄E daje kształt huśtawkowy, a AX₃E₂ kształt litery T.

Sześć domen tworzy układ oktaedryczny. AX₆ jest oktaedryczny, AX₅E piramidalny kwadratowy, a AX₄E₂ może być płaski kwadratowy jak XeF₄, gdy dwie pary wolne zajmują pozycje przeciwległe.

Wiązanie wielokrotne to jedna domena, ale nie identyczna

Podwójne lub potrójne wiązanie zajmuje jeden kierunek od atomu centralnego, więc liczy się jako jedna domena. Ma jednak większą gęstość elektronową niż wiązanie pojedyncze i może silniej odpychać sąsiednie domeny.

Dlatego VSEPR przewiduje poprawną klasę kształtu, lecz nie zawsze dokładne kąty. Drobne różnice wymagają danych eksperymentalnych lub dokładniejszych obliczeń struktury elektronowej.

Od struktury Lewisa do kształtu

Poprawna procedura ma kolejność: policz elektrony walencyjne, narysuj strukturę Lewisa, ustal liczbę domen wokół wybranego atomu, przypisz geometrię domen i dopiero potem nazwij geometrię cząsteczki, ignorując pozycje par wolnych.

Dla CO₂ atom C ma dwie domeny i AX₂, więc kształt jest liniowy. NH₃ ma trzy wiązania i parę wolną, czyli AX₃E; H₂O to AX₂E₂.

Granice VSEPR

VSEPR najlepiej działa dla wielu prostych cząsteczek grup głównych. Nie przewiduje energii wiązań, widm ani magnetyzmu i może zawodzić dla kompleksów metali przejściowych, gdzie ważne są orbitale d i pole ligandów.

W większych cząsteczkach trzeba także odróżnić geometrię lokalną od konformacji. Każdy atom węgla w etanie jest prawie tetraedryczny, lecz obrót wokół wiązania C–C zmienia konformację całej cząsteczki bez zmiany lokalnej geometrii.

Przykłady rozwiązane

1. SO₂

2. SF₄

3. XeF₄