teória
Prečo majú molekuly tvar
V lekcii Hybridizácia orbitálov sme videli, že hybridné orbitály smerujú od seba čo najďalej. Tvar molekuly sa dá predpovedať aj jednoduchšie, bez kreslenia orbitálov. Pomôže nám teória VSEPR. Skratka pochádza z angličtiny (Valence Shell Electron Pair Repulsion) a znamená odpudzovanie elektrónových párov valenčnej vrstvy.
Myšlienka je prostá:
Elektrónové páry okolo centrálneho atómu sa navzájom odpudzujú, a preto sa rozmiestnia tak, aby boli od seba čo najďalej.
Každú oblasť, kde sa okolo centrálneho atómu sústreďujú elektróny, nazývame elektrónová doména. Doménou je:
- každý naviazaný atóm (jednoduchá, dvojitá aj trojitá väzba sa počíta ako jedna doména),
- každý voľný elektrónový pár na centrálnom atóme.
teória
Voľné páry odpudzujú silnejšie
Voľný elektrónový pár patrí len jednému atómu, preto je bližšie k jadru a „roztiahne sa“ do väčšieho priestoru ako väzbový pár, ktorý je natiahnutý medzi dvoma jadrami. Odpudzovanie teda klesá v poradí:
voľný pár a voľný pár > voľný pár a väzbový pár > väzbový pár a väzbový pár
Dôsledok vidno na troch molekulách, ktoré majú všetky štyri domény:
| Molekula | väzby | voľné páry | uhol |
|---|---|---|---|
| CH₄ | 4 | 0 | 109,5° |
| NH₃ | 3 | 1 | asi 107° |
| H₂O | 2 | 2 | asi 104,5° |
Čím viac voľných párov, tým viac sú väzby stlačené k sebe a tým menší je uhol medzi nimi.
krok za krokom
Postup krok za krokom
- Nájdi centrálny atóm a nakresli Lewisov vzorec. Centrálny býva atóm, ktorý je v molekule len raz a tvorí najviac väzieb (vodík a fluór nie sú nikdy centrálne).
- Spočítaj naviazané atómy X a voľné páry E na centrálnom atóme. Voľné páry zistíš takto: od počtu valenčných elektrónov centrálneho atómu odpočítaj elektróny, ktoré použije na väzby (1 na jednoduchú, 2 na dvojitú, 3 na trojitú väzbu), a zvyšok vydeľ dvoma. Pri katióne najprv jeden elektrón odober za každý kladný náboj, pri anióne pridaj.
- Zapíš typ molekuly ako AXₙEₘ. A je centrálny atóm, n počet naviazaných atómov a m počet voľných párov.
- Urči usporiadanie domén podľa ich celkového počtu n + m: 2 lineárne, 3 rovinný trojuholník, 4 tetraéder, 5 trigonálna bipyramída, 6 oktaéder.
- Pomenuj tvar molekuly len podľa polohy atómov. Voľné páry síce zaberajú miesto, ale nevidíme ich, preto ich do názvu tvaru nezapočítavame.
Príklad: pri vode je kyslík centrálny, má 6 valenčných elektrónov, 2 použije na dve väzby O–H a zo zvyšných 4 vzniknú 2 voľné páry. Typ je AX₂E₂, domény tvoria tetraéder, ale samotné atómy H–O–H tvoria lomený tvar.
teória
Prehľad všetkých tvarov
| Domény | typ | tvar molekuly | uhol | príklad |
|---|---|---|---|---|
| 2 | AX₂ | lineárny | 180° | BeCl₂, CO₂ |
| 3 | AX₃ | rovinný trojuholník | 120° | BF₃, SO₃ |
| 3 | AX₂E | lomený | menej ako 120° (SO₂ asi 119°) | SO₂ |
| 4 | AX₄ | tetraéder | 109,5° | CH₄, NH₄⁺ |
| 4 | AX₃E | trigonálna pyramída | menej ako 109,5° (NH₃ asi 107°) | NH₃, PCl₃ |
| 4 | AX₂E₂ | lomený | menej ako 109,5° (H₂O asi 104,5°) | H₂O, H₂S |
| 5 | AX₅ | trigonálna bipyramída | 90° a 120° | PCl₅ |
| 5 | AX₄E | hojdačka | menej ako 90° a 120° | SF₄ |
| 5 | AX₃E₂ | tvar T | asi 90° | ClF₃ |
| 5 | AX₂E₃ | lineárny | 180° | XeF₂ |
| 6 | AX₆ | oktaéder | 90° | SF₆ |
| 6 | AX₅E | štvorcová pyramída | asi 90° | BrF₅ |
| 6 | AX₄E₂ | štvorec | 90° | XeF₄ |
Všimni si, že rovnaký tvar môže vzniknúť z rôzneho počtu domén. CO₂ (AX₂) aj XeF₂ (AX₂E₃) sú lineárne, H₂O (AX₂E₂) aj SO₂ (AX₂E) sú lomené.
teória
Kam idú voľné páry pri piatich a šiestich doménach
Pri štyroch doménach sú všetky vrcholy tetraédra rovnocenné, takže je jedno, kam voľný pár umiestnime. Pri piatich a šiestich doménach to už jedno nie je.
Trigonálna bipyramída. Ako vieš z lekcie o hybridizácii, má dve axiálne a tri ekvatoriálne polohy. Najsilnejšie sa domény odpudzujú, keď zvierajú uhol 90°. Axiálna poloha má pod uhlom 90° až tri susedov, ekvatoriálna len dvoch. Voľné páry preto obsadzujú najprv ekvatoriálne polohy, kde majú viac miesta. Tak vznikajú tvary hojdačka (SF₄, jeden voľný pár), tvar T (ClF₃, dva voľné páry) a lineárny tvar (XeF₂, tri voľné páry v rovníku, dva atómy fluóru na osi).
Oktaéder. Všetky polohy sú rovnocenné, takže jeden voľný pár môže byť kdekoľvek a vznikne štvorcová pyramída (BrF₅). Dva voľné páry sa však odpudzujú najsilnejšie, preto sa postavia oproti sebe (pod uhlom 180°). Zvyšné štyri atómy ostanú v jednej rovine a vytvoria štvorec (XeF₄).
teória
Súvis s hybridizáciou
Počet domén určuje nielen tvar, ale aj hybridizáciu centrálneho atómu:
| Počet domén | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|
| hybridizácia | sp | sp² | sp³ | sp³d | sp³d² |
Napríklad NH₃ aj H₂O majú štyri domény, a preto hybridizáciu sp³, hoci ich tvary sú rôzne. SF₄, ClF₃ aj XeF₂ majú päť domén, a teda hybridizáciu sp³d.
teória
Tvar a polarita molekuly
Väzba medzi dvoma rôznymi atómami je väčšinou polárna: elektróny sú posunuté k elektronegatívnejšiemu atómu. Či je polárna aj celá molekula, však závisí od jej tvaru.
- Ak je molekula symetrická, účinky polárnych väzieb sa navzájom vyrušia a molekula je nepolárna. Príklady: CO₂ (lineárny), BF₃ (rovinný trojuholník), CH₄ (tetraéder), SF₆ (oktaéder), ale aj XeF₂ a XeF₄.
- Ak je molekula nesymetrická, najčastejšie kvôli voľným párom, ostane v nej kladný a záporný koniec a molekula je polárna. Príklady: H₂O, NH₃, SO₂, PCl₃, SF₄.
Práve vďaka lomenému tvaru je voda polárna, a preto sa v nej dobre rozpúšťa soľ, cukor a mnohé ďalšie látky.
vyskúšaj si
Riešené príklady
Príklad 1: PCl₃
Urči tvar molekuly chloridu fosforitého PCl₃ a hybridizáciu fosforu.
Riešenie
- Centrálny atóm je fosfor, okolo neho sú tri atómy chlóru.
- Fosfor má 5 valenčných elektrónov. Tri použije na tri jednoduché väzby P–Cl, zvyšné 2 tvoria 1 voľný pár. Teda X = 3, E = 1.
- Typ: AX₃E.
- Počet domén je 3 + 1 = 4, domény tvoria tetraéder a fosfor má hybridizáciu sp³.
- Atómy tvoria trigonálnu pyramídu (fosfor na vrchole, tri chlóry v podstave). Voľný pár stláča väzby, preto je uhol Cl–P–Cl menší ako 109,5° (asi 100°). Molekula je nesymetrická, a teda polárna.
Príklad 2: SF₄
Urči tvar molekuly fluoridu siričitého SF₄ a hybridizáciu síry.
Riešenie
- Centrálny atóm je síra, okolo nej sú štyri atómy fluóru.
- Síra má 6 valenčných elektrónov. Štyri použije na štyri väzby S–F, zvyšné 2 tvoria 1 voľný pár. Teda X = 4, E = 1.
- Typ: AX₄E.
- Počet domén je 4 + 1 = 5, domény tvoria trigonálnu bipyramídu a síra má hybridizáciu sp³d.
- Voľný pár obsadí ekvatoriálnu polohu. Zostanú dva axiálne a dva ekvatoriálne atómy fluóru, ktoré spolu tvoria tvar hojdačky. Molekula je nesymetrická, a teda polárna.
teória
Vyskúšaj si to
Pod textom nájdeš interaktívnu časť, ktorá má dve zložky:
- Stavebnica: zvoľ počet väzieb a voľných elektrónových párov na centrálnom atóme a hneď uvidíš výsledný tvar molekuly v 3D, jeho názov, zápis AXE aj uhly.
- Kvíz: precvič si tvary v dvoch smeroch. Buď dostaneš molekulu a hľadáš jej tvar, alebo dostaneš tvar a hľadáš molekulu, ktorá ho má. Medzi oboma smermi sa prepneš prepínačom.