Θεωρία VSEPR

Εισαγωγή

Τι είναι η θεωρία VSEPR και πώς λειτουργεί;

Η θεωρία απώθησης ζεύγους ηλεκτρονίων κελύφους σθένους (θεωρία VSEPR) βασίζεται στην ιδέα ότι υπάρχει άπωση μεταξύ των ζευγών ηλεκτρονίων σθένους που περιβάλλουν ένα άτομο. Επομένως, θα υιοθετήσουν διαμορφώσεις που ελαχιστοποιούν αυτή την απώθηση. Επομένως, το μόριο χάνει ενέργεια και γίνεται πιο σταθερό, γεγονός που καθορίζει τη μοριακή του γεωμετρία.

Η σημασία των μοντέλων VSEPR

Επειδή οι δομές Lewis περιορίζονται σε δύο διαστάσεις, μπορούν να σας πουν μόνο πόσοι και τι είδους δεσμοί υπάρχουν μεταξύ των ατόμων. Το μοντέλο VSEPR προβλέπει με ακρίβεια το τρισδιάστατο σχήμα των μορίων και των ιόντων, αλλά δεν παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με το μήκος ή τη δομή του δεσμού.
Το μοντέλο VSEPR υποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από ένα άτομο, τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιούν την απώθηση, καθορίζοντας έτσι τη μοριακή του δομή.
Εφόσον το κεντρικό άτομο δεν είναι μέταλλο, μπορεί να προβλέψει τη μορφή σχεδόν όλων των ενώσεων με κεντρικό άτομο. Κάθε φόρμα έχει ένα όνομα και μια ιδανική γωνία σύνδεσης.

Ο Ronald Nyholm και ο Ronald Gillespie είναι οι δύο βασικοί ιδρυτές της υπόθεσης VSEPR. Αυτή η υπόθεση είναι μερικές φορές γνωστή ως η θεωρία Gillespie-Nyholm για να τιμήσει αυτούς τους χημικούς.

Σύμφωνα με τη θεωρία VSEPR/ το σχήμα του SF4 σύμφωνα με τη θεωρία VSEPR, η αρχή του αποκλεισμού Pauli προκαλεί την απώθηση μεταξύ δύο ηλεκτρονίων, η οποία είναι πιο κρίσιμη από την ηλεκτροστατική απώθηση για τον προσδιορισμό της δομής των μορίων.

Οι παρακάτω ορολογίες μπορούν να εφαρμοστούν κατά την περιγραφή μοριακών σχημάτων.

Η γωνία που σχηματίζεται από ένα δεσμευμένο άτομο, το κεντρικό άτομο και ένα άλλο συνδεδεμένο άτομο είναι η γωνία δεσμού.
Ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σθένους που δεν μοιράζονται με άλλο άτομο ονομάζεται μοναχικό ζεύγος.
Ένα πολυατομικό ιόν ή μόριο διαθέτει μια τρισδιάστατη διάταξη ατόμων που συνδέονται με τους δεσμούς τους.
Μια γεωμετρία ζεύγους ηλεκτρονίων είναι η δομή των ζευγών ηλεκτρονίων γύρω από ένα άτομο του μορίου ή του πυρήνα ιόντων.

Η γεωμετρία μοριακών και ζευγών ηλεκτρονίων διαφέρει με την έννοια ότι η μοριακή γεωμετρία εξαλείφει τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια, ενώ οι γεωμετρίες ζευγών ηλεκτρονίων περιλαμβάνουν τόσο ασύζευκτα όσο και δεσμευμένα άτομα. Όταν δεν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε μια χημική ουσία, τα ζεύγη μορίων και ηλεκτρονίων της χημικής ουσίας είναι τα ίδια.

Θεωρία VSEPR:

Τα αξιώματα της θεωρίας VSEPR αναφέρονται παρακάτω:

Ένα από τα συστατικά άτομα πολυατομικών μορίων (μόρια που αποτελούνται από τρία ή περισσότερα άτομα) λειτουργεί ως το κεντρικό άτομο στο οποίο είναι συνδεδεμένα όλα τα άλλα άτομα.
Ο αριθμός των ζευγών ηλεκτρονίων του φλοιού σθένους καθορίζει το σχήμα του μορίου.
Τα ζεύγη ηλεκτρονίων προτιμούν να ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε η απώθηση ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου μεταξύ τους να ελαχιστοποιεί την απόστασή τους.
Τα ζεύγη ηλεκτρονίων συγκεντρώνονται στην επιφάνεια του σθένους για να μεγιστοποιήσουν την απόστασή τους το ένα από το άλλο.
Εάν ζεύγη δεσμών ηλεκτρονίων περιβάλλουν το άτομο του πυρήνα του μορίου, το μόριο θα είναι ασύμμετρα δομημένο.
Το μόριο θα έχει παραμορφωμένο σχήμα εάν το κεντρικό άτομο περιβάλλεται από μεμονωμένα ζεύγη και δεσμά ζεύγη ηλεκτρονίων.
Η θεωρία VSEPR ισχύει για τη δομή συντονισμού οποιουδήποτε μορίου.
Δύο μοναχικά ζεύγη έχουν τη μεγαλύτερη απώθηση, ενώ δύο ζεύγη δεσμών τη μικρότερη.
Όταν ζεύγη ηλεκτρονίων πλησιάζουν το ένα στο άλλο γύρω από το κεντρικό άτομο, απωθούν το ένα το άλλο—η ενέργεια των μορίων αυξάνεται ως αποτέλεσμα αυτού.
Όταν μια σημαντική απόσταση χωρίζει ζεύγη ηλεκτρονίων, οι απωθήσεις μεταξύ τους μειώνονται και το μόριο χάνει ενέργεια.

VSEPR:Πώς να το χρησιμοποιήσετε;

Για το εν λόγω ιόν ή μόριο, σχεδιάστε μια δομή Lewis.

Υπολογίστε τον αριθμό των ομάδων ηλεκτρονίων στην περιοχή που περιβάλλει το άτομο του πυρήνα. Μια ενιαία ομάδα αποτελείται από ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων. Ακόμα κι αν είναι διπλός ή τριπλός δεσμός, ο καθένας μετράει ως ξεχωριστή ομάδα. Από τον πίνακα βρείτε τη γεωμετρία των ηλεκτρονίων που αντιστοιχεί. Υπολογίστε τον αριθμό των μοναχικών ζευγών και των ζευγών σύνδεσης γύρω από το άτομο του πυρήνα και χρησιμοποιήστε αυτές τις πληροφορίες για να προσδιορίσετε το μοριακό σχήμα.

Σημείωση για το VSEPR

Ο συμβολισμός VSEPR παρέχει μια γενική φόρμουλα για την αναγνώριση χημικών ειδών με βάση τον αριθμό των ζευγών ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από ένα κεντρικό άτομο. Αξίζει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι δεν έχουν όλα τα είδη την ίδια μοριακή γεωμετρία. Το διοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του θείου, για παράδειγμα, είναι και τα δύο είδη, αλλά το ένα είναι ίσιο ενώ το άλλο είναι κυρτό.

Μερικές φορές περιλαμβάνονται ηλεκτρόνια μεμονωμένου ζεύγους στη σημείωση, κάτι που μπορεί να προκαλέσει σύγχυση, καθώς το νερό μπορεί να αναφέρεται ως είδος ανάλογα με τις συμβάσεις που χρησιμοποιεί ο συγγραφέας ή το κείμενο. Σε γενικές γραμμές,

Το κεντρικό άτομο αντιπροσωπεύεται από το γράμμα A.
Ο αριθμός των ατόμων που συνδέονται με το άτομο του πυρήνα αντιπροσωπεύεται από τα γράμματα B ή X.
Ο αριθμός των μοναχικών ζευγών στο κεντρικό άτομο αντιπροσωπεύεται από E.

Και πάλι, υπάρχουν πολλά όρια σε αυτή την υπόθεση. Οι κοινές αδυναμίες της υπόθεσης VSEPR θα συζητηθούν τώρα.

Μειονεκτήματα της θεωρίας VSEPR

Το μοντέλο VSEPR είναι μια υπόθεση, όχι μια θεωρία. Δεν επιχειρεί να εξηγήσει ή να εξηγήσει κανένα από τα ευρήματα ή τις προβλέψεις. Αντίθετα, είναι ένας αλγόριθμος που προβλέπει τις δομές ενός σημαντικού αριθμού μορίων με υψηλή ακρίβεια.
Η θεωρία VSEPR για τα σχήματα των μορίων είναι μια απλή και χρήσιμη τεχνική. Ωστόσο, δεν λειτουργεί για όλα τα χημικά είδη.
Καταρχάς, οι εξιδανικευμένες γωνίες δεσμού μπορεί να μην αντιστοιχούν απαραίτητα σε μετρημένες γωνίες δεσμού. Το VSEPR το προβλέπει και θα έχει ίδιες γωνίες δεσμού. Ωστόσο, οι δομικές αναλύσεις έχουν αποκαλύψει ότι οι γωνίες δεσμού των δύο μορίων απέχουν 12 μοίρες μεταξύ τους.
Όταν τα αλογονίδια της ομάδας-2, όπως, κάμπτονται, το VSEPR προβλέπει ότι θα είναι γραμμικά. Όταν το VSEPR είναι ανεπαρκές, η κβαντική μηχανική και τα ατομικά τροχιακά μπορούν να παρέχουν πιο λεπτομερείς προβλέψεις.

Κάθε μία από αυτές τις συγκρίσιμες μορφές μπορεί να βρεθεί στο προηγούμενο παράδειγμα. Η θεωρία VSEPR, από την άλλη πλευρά, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των ακριβών γωνιών δεσμού μεταξύ των ατόμων σε ένα μόριο.

Ας εξετάσουμε κάθε φόρμα με περισσότερες λεπτομέρειες:

Ένα μόριο με γραμμικό σχήμα:Αυτή η μορφή του μορίου έχει δύο κηλίδες στο κέλυφος σθένους του κεντρικού ατόμου. Θα πρέπει να οργανωθούν ώστε να μειώνουν την απώθηση στο ελάχιστο (δείχνοντας προς την αντίθετη κατεύθυνση).

Παράδειγμα:Μόριο BeF2

Τριγωνικό επίπεδο σχήμα:Τρία μόρια συνδέονται με ένα κεντρικό άτομο του μορίου. Τα ηλεκτρόνια είναι οργανωμένα, επομένως η απώθηση μεταξύ τους μειώνεται (προς τις γωνίες ενός ισόπλευρου τριγώνου).

Παράδειγμα:BF3

Τετραεδρικό σχήμα μορίου:Στα δισδιάστατα μόρια, τα άτομα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και όταν αυτές οι συνθήκες εφαρμόζονται στο μεθάνιο, έχουμε μια τετράγωνη επίπεδη γεωμετρία με γωνία δεσμού 900. Όταν ληφθούν υπόψη όλες αυτές οι παράμετροι για μια τρισδιάστατη δομή, παίρνουμε ένα τετραεδρικό μόριο με γωνία δεσμού 109028′ μεταξύ H-C-H. (προς τις γωνίες ενός ισόπλευρου τριγώνου)
Ας δούμε το PF5 ως παράδειγμα ενός τριγωνικού μορίου διπυραμίδας. Για να μειωθεί η απώθηση, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κατανεμηθούν ομοιόμορφα προς τις γωνίες της τριγωνικής πυραμίδας. Τα τριγωνικά διπυραμιδικά αποτελούνται από τρία σημεία κατά μήκος του ισημερινού του μορίου. Οι δύο θέσεις είναι παράλληλες με το ισημερινό επίπεδο σε έναν άξονα.

Συμπέρασμα

Η κύρια διαφορά μεταξύ της γεωμετρίας του ζεύγους ηλεκτρονίων και της μοριακής γεωμετρίας είναι ότι ενώ η γεωμετρία ζεύγους ηλεκτρονίων περιλαμβάνει τόσο δεσμευμένα όσο και ασύζευκτα άτομα, η μοριακή γεωμετρία αποκλείει τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια. Στην περίπτωση που δεν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε μια χημική ουσία, η γεωμετρία του μορίου και η γεωμετρία του ζεύγους ηλεκτρονίων θα είναι η ίδια.