Czy można przewidzieć kształt cząsteczki?

Liczba przestrzenna a kształt

Metoda VSEPR jest jedną z dokładniejszych, a zarazem najprostszych metod przewidywania kształtu cząsteczek. W metodzie tej, typ hybrydyzacji oraz orientacja przestrzenna cząsteczki są ustalane na podstawie liczby przestrzennej ( $L p$ )liczba przestrzennaiczby przestrzennej ( $L p$ ), co w praktyce sprowadza się do obliczenia jej wartości na podstawie konkretnych wzorów.

Danej wartości $L p$ można przyporządkować odpowiedni rodzaj hybrydyzacji, co jest podstawą do określenia geometrii cząsteczki. W tabeli poniżej znajdziesz zestawienie liczb przestrzennych oraz odpowiadające im typy hybrydyzacjihybrydyzacjahybrydyzacji.

Typ cząsteczki zapisano w postaci skrótu, gdzie:

$X$ – atom centralnyatom centralny (jon centralny)atom centralny,
$Y$ – atom otaczający atom centralny,
$n$ – liczba wolnych par elektronowych na atomie centralnym.

Kształt cząsteczek lub jonów dla poszczególnych liczb przestrzennych

RrgXhLyN9hUI4

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak ustalić kształt jonu lub cząsteczki, korzystając z metody VSEPR?

Krok 1. Liczba przestrzenna

Liczbę przestrzenna należy ustalić uwzględniając ładunek indywiduum chemicznego oraz liczbę wiązań pojedynczych i wielokrotnych.

Liczbę przestrzenną obliczamy ze wzoru:

L p = n + m

n = \frac{1}{2} (V - C - O)

$n$ – liczba wolnych par elektronowych na atomie centralnym;

$m$ – liczba wiązań sigma ( $σ$ ) utworzonych przez atom centralny, czyli liczba podstawników otaczających atom centralny; wiązanie wielokrotne traktujemy jako wiązanie pojedyncze;

$V$ – liczba elektronów walencyjnych atomu centralnego;

$C$ – wartość ładunku jonu, wynikająca z deficytu lub nadmiaru elektronów w związku.

$O$ – liczba elektronów konieczna do uzyskania korzystniejszej energetycznie konfiguracji elektronowej (konfiguracji elektronowej atomu helowca) przez wszystkie atomy otaczające.

RuGZTMCJtJgNX

Na schemacie w środku znajduje się litera X, nad nią są dwie kropki. X połączony jest na górze z dwiema literami Y - po lewej i prawej stronie, a na dole z jednym Y. — Grafika przedstawia rozmieszczenie atomów (Y) wokół atomu centralnego (X).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RILVetKOju3AX

Na schemacie w środku znajduje się litera X, nad nią dwie kropki. X połączony jest na górze z literą Y - po lewej i prawej stronie, a na dole z jedną literą Y. Do dwóch kropek nad X prowadzi strzałka, nad nią litera n. Do wiązania od X do Y znajdującego się na dole oraz do Y po prawej stronie X jest strzałka z literą m. Od litery m do drugiego Y, po lewej stronie, też prowadzi strzałka. — Grafika przedstawia rozmieszczenie liczby n dla atomu centralnego (X) oraz liczby m dla atomów (Y) otaczających atom centralny.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RGACB90OJIIac

Na ilustracji znajduje się litera v strzałka w prawo litera X. X po lewej i prawej stronie ma jedną kropkę, na górze i na dole po dwie kropki. — Symbol V wskazuje liczbę elektronów walencyjnych atomu centralnego (X).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R8KzhfUkYYggV

Ilustracja przedstawia: XY3C. Po prawej stronie jest strzałka skierowana w stronę XY3C. Po prawej stronie strzałki jest litera c. Strzałka biegnie od litery C do wzoru, czyli w lewą stronę. — Symbol C wskazuje wartość bezwzględną ładunku jonu.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

ROApBVWPlNSfl

Na schemacie w środku znajduje się litera X, nad nią dwie kropki. X połączony jest na górze z literą Y - po lewej i prawej stronie, a na dole z jednym Y. Każdy Y ma po trzy pary kropek. Po lewej stronie schematu jest litera o, która ma trzy strzałki prowadzące do każdej litery Y. — Symbol O wskazuje liczbę elektronów konieczną do uzyskania korzystniejszej energetycznie konfiguracji elektronowej (konfiguracji elektronowej atomu helowca) przez wszystkie atomy (Y) otaczające atom centralny (X).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Krok 2. Typ hybrydyzacji

Należy przypisać liczbę przestrzenną do typu hybrydyzacji. Liczba przestrzenna o wartości:

$2$ określa hybrydyzację typu $s p$ ,
$3$ określa hybrydyzację typu $s p^{2}$ ,
$4$ określa hybrydyzację typu $s p^{3}$ ,
$5$ określa hybrydyzację typu $s p^{3} d$ ,
$6$ określa hybrydyzację typu $s p^{3} d^{2}$ ,
$7$ określa hybrydyzację typu $s p^{3} d^{3}$ .

Krok 3. Kształt cząsteczki

W zależności od liczby atomów otaczających i występowania pary elektronowej Cząsteczki o hybrydyzacji typu:

$s p$ są liniowe,
$s p^{2}$ mogą przybrać kształt litery $V$ lub trójkąta równobocznego,
$s p^{3}$ mogą przybrać kształt litery $V$ , piramidy trygonalnej lub tetraedru,
$s p^{3} d$ mogą przybrać kształt liniowy, litery T, nieregularnego tetraedru lub bipiramidy trygonalnej,
$s p^{3} d^{2}$ mogą przybrać kształt płaskiego kwadratu lub oktaedru,
$s p^{3} d^{3}$ mogą przybrać kształt piramidy pentagonalnej lub bipiramidy pentagonalnej.

Krok 4. Analiza

W ostatnim kroku należy przeanalizować poprawność rozstawienia podstawników w przestrzeni i skorygować ewentualne błędy.

Przykład 1. Ustalanie kształtu cząsteczki obojętnej, np. ${COCl}_{2}$

Krok 1. Liczba przestrzenna

Korzystamy ze wzoru na liczbę przestrzenną:

L p = n + m

n = \frac{1}{2} (V - C - O)

Dla cząsteczki ${COCl}_{2}$ wartości te są następujące:

$V = 4$ , węgiel leży w $14$ grupie układu okresowego; na zewnętrznej powłoce elektronowej znajdują się $4$ elektrony walencyjne;

$C = 0$ , jest to cząsteczka obojętna, a jej ładunek wynosi zero;

$O = (1 \cdot 2) + (2 \cdot 1) = 4$ , tlen leży w $16$ grupie układu okresowego, czyli ma $6$ elektronów rozmieszczonych na ostatniej powłoce (aby uzyskać korzystniejszą energetycznie konfigurację elektronową – konfigurację elektronową atomu helowca, atom tlenu potrzebuje $2$ elektrony); chlor leży w $17$ grupie układu okresowego, czyli ma $7$ elektronów rozmieszczonych na ostatniej powłoce (aby uzyskać korzystniejszą energetycznie konfigurację elektronową – konfigurację elektronową atomu helowca, każdy atom chloru potrzebuje po $1$ elektronie);

$m = 3$ , ponieważ atom centralny (atom węgla) jest połączony z trzema atomami (atomem tlenu i dwoma atomami chloru).

Po podstawieniu wartości do wzoru prezentuje się on następująco:

L p = \frac{1}{2} [4 - 0 - 4] + 3 = 3

Krok 2. Typ hybydyzacji

Cząsteczki charakteryzujące się liczbą przestrzenną wynoszącą $3$ , posiadające $3$ atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego mają hybrydyzację typu $s p^{2}$ .

Krok 3. Kształt cząsteczki

Cząsteczki o hybrydyzacji typu $s p^{2}$ mogą przybrać kształt litery $V$ lub trójkąta równobocznego.

Krok 4. Analiza

Cząsteczka ${COCl}_{2}$ posiada trzy atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego, ale nie posiada wolnych par elektronowych na atomie centralnym (cząsteczka typu $X Y_{3} n_{0}$ ), w związku z czym, nie zachodzą ewentualne zmiany, w rozmieszczeniu atomów otaczających i zniekształcenia cząsteczki. Na tej podstawie możemy stwierdzić, że przybiera ona kształt trójkąta równobocznego.

RNdLP4K7d0UPq

Ilustracja przedstawia model - to czarna kulka umieszczona centralnie. Łączy się ona u góry wiązaniem podwójnym z czerwoną kulką, a na dole symetrycznie po lewej i prawej stronie z zieloną kulką. — Źródło: dostępny w internecie: www.hy.m.wikipedia.org, domena publiczna.

Przykład 2. Ustalanie kształtu jonu ujemnego, np. ${PO}_{4}^{3 -}$

Krok 1. Liczba przestrzenna

Liczbę przestrzenną obliczamy ze wzoru:

L p = n + m

n = \frac{1}{2} (V - C - O)

Dla jonu ${PO}_{4}^{3 -}$ wartości te są następujące:

$m = 4$ , ponieważ atom centralny (atom fosforu) jest połączony z czterema atomami tlenu;
$V = 5$ , atom fosforu leży w $15$ grupie układu okresowego; na ostatniej powłoce ma rozmieszczone $5$ elektronów, które biorą udział w tworzeniu wiązania;

$C = - 3$ , jon ujemny o ładunku $- 3$ ,

$O = (4 \cdot 2) = 8$ , ponieważ atomy tlenu potrzebują po $2$ elektrony do uzyskania korzystniejszej energetycznie konfiguracji elektronowej – konfiguracji elektronowej atomu helowca.

L p = \frac{1}{2} [5 + 3 - 8] + 4 = 4

Krok 2. Typ hybydyzacji

Cząsteczki charakteryzujące się liczbą przestrzenną wynoszącą $4$ , posiadające $4$ atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego posiadają hybrydyzację typu $s p^{3}$ .

Krok 3. Kształt cząsteczki

Cząsteczki o hybrydyzacji typu $s p^{3}$ mogą przybrać kształt litery $V$ , piramidy trygonalnej lub tetraedru.

Krok 4. Analiza

Jon ${PO}_{4}^{3 -}$ posiada cztery atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego, ale nie posiada pary elektronowej na atomie centralnym (cząsteczka typu $X Y_{4} n_{0}$ ), w związku z czym nie zachodzą zmiany w rozmieszczeniu atomów otaczających i zniekształcenia budowy jonu. Na tej podstawie możemy stwierdzić, że przybiera ona kształt tetraedru.

RZYYRzINOYzzC

Ilustracja przedstawia model kulkowy. W środku jest pomarańczowa kulka - atom fosforu, łączy się wiązaniami pojedynczymi z czterema czerwonymi kulkami - atomami tlenu. Nad wiązaniami pojedynczymi są przerywane linie. — Model anionu ortofosforanowego(V).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykład 3. Ustalanie kształtu jonu dodatniego, np. ${NH}_{4}^{+}$

Krok 1. Liczba przestrzenna

Liczbę przestrzenną obliczamy ze wzoru:

L p = n + m

n = \frac{1}{2} (V - C - O)

Dla jonu ${NH}_{4}^{+}$ wartości te są następujące:

$m = 4$ , atom centralny (atom azotu) otaczają $4$ atomy otaczające, czyli $4$ atomy wodoru;

$V = 5$ , atom azotu leży w $15$ grupie układu okresowego; na ostatniej powłoce ma rozmieszczone $5$ elektronów, które biorą udział w tworzeniu wiązania;

$C = + 1$ , jon dodatni o ładunku $+ 1$ ;

$O = 4$ , atomy wodoru potrzebują po $1$ elektronie do uzyskania korzystniejszej energetycznie konfiguracji elektronowej – konfiguracji elektronowej atomu helowca.

L p = \frac{1}{2} [5 - 1 - 4] + 4 = 4

Krok 2. Typ hybydyzacji

Cząsteczki charakteryzujące się liczbą przestrzenną wynoszącą $4$ , posiadające $4$ atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego posiadają hybrydyzację typu $s p^{3}$ .

Krok 3. Kształt cząsteczki

Cząsteczki o hybrydyzacji typu $s p^{3}$ mogą przybrać kształt litery $V$ , piramidy trygonalnej lub tetraedru.

Krok 4. Analiza

Jon ${NH}_{4}^{+}$ posiada cztery atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego, ale nie posiada pary elektronowej na atomie centralnym (cząsteczka typu $X Y_{4} n_{0}$ ), w związku z czym nie zachodzą zmiany w rozmieszczeniu atomów otaczających i zniekształcenia budowy jonu. Na tej podstawie, możemy stwierdzić, że przybiera ona kształt tetraedru.

RT7NLYA4OkFpz

Ilustracja przedstawia model kulkowy amoniaku. Niebieska kulka, położona centralnie, łączy się z czterema szarymi kulkami. Jedna jest u góry, a trzy na dole. — Model jonu amonowego.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykład 4. Ustalenie kształtu cząsteczki na podstawie wzoru elektronowego, np. ${SF}_{4}$

Krok 1. Liczba przestrzenna

Liczbę przestrzenną obliczamy ze wzoru:

L p = n + m

n = \frac{1}{2} (V - C - O)

Dla cząsteczki ${SF}_{4}$ wartości te są następujące:

$m = 4$ , ponieważ atom centralny (atom siarki) jest połączony z czterema atomami fluoru;
$V = 6$ , siarka leży w $16$ grupie układu okresowego; na zewnętrznej powłoce elektronowej znajduje się $6$ elektronów walencyjnych;

$C = 0$ , jest to cząsteczka obojętna, a jej ładunek wynosi zero;

$0 = (4 \cdot 1) = 4$ , ponieważ fluor leży w $17$ grupie układu okresowego, czyli ma $7$ elektronów rozmieszczonych na ostatniej powłoce. Aby uzyskać korzystniejszą energetycznie konfigurację elektronową – konfigurację elektronową atomu helowca, każdy atom fluoru potrzebuje po $1$ elektronie.

Po podstawieniu wartości do wzoru prezentuje się on następująco:

L p = \frac{1}{2} [6 - 0 - 4] + 4 = 5

Krok 2. Typ hybydyzacji

Cząsteczki charakteryzujące się liczbą przestrzenną wynoszącą $5$ , posiadające $4$ atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego posiadają hybrydyzację typu $s p^{3} d$ .

Krok 3. Kształt cząsteczki

Cząsteczki o hybrydyzacji typu $s p^{3} d$ mogą przybrać kształt liniowy, litery T, nieregularnego tetraedru lub bipiramidy trygonalnej.

Krok 4. Analiza

Biorąc pod uwagę, że cząsteczka ${SF}_{4}$ posiada cztery atomy otaczające przyłączone do atomu centralnego oraz wolną parę elektronową na atomie centralnym (cząsteczka typu $X Y_{4} n_{1}$ ), możemy stwierdzić, że przybiera ona kształt nieregularnego tetraedru. W tym przypadku mamy dwa silne oddziaływania pod kątem około $90 °$ , między wolną parą elektronową a elektronami wiążącymi.

R1XqFxllxpuFG

Ilustracja przedstawia pięć połączonych ze sobą kulek. W jednej linii są dwie zielone kulki z żółtą w środku. Od żółtej kulki w dół są dwa wiązania zakończone zielonymi kulkami. — Model cząsteczki tetrafluorku siarki.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 1

Czy wiesz, jak za pomocą obliczeń matematycznych przewidzieć kształt cząsteczki? Aby poznać odpowiedź, zapoznaj się z filmem. Zapoznaj się z kształtami różnych cząsteczek, a następnie wykonaj ćwiczenia.

ROlp0HdrqT5l4

Film samouczek pt. „Jak przewidzieć kształt cząsteczki?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Napisz, jaki kształt przewidujesz dla cząsteczki $H_{2} O$ .

R186ah1Ce0R9N

R17OUHKFmhPJ4

Jest to cząsteczka typu $A X_{2} n_{2}$ . Należy zatem pamiętać o uwzględnieniu wolnych par elektronowych.

Cząsteczka $H_{2} O$ ma kształt litery $V$ .

Ćwiczenie 2

Stwórz model cząsteczki, w którym atom centralny, bez wolnych par elektronowych, łączy się z dwoma atomami za pomocą wiązań podwójnych. Jaki kąt występuje między wiązaniami w tej cząsteczce?

R1V5XDBuNEbWA

Zastanów się nad modelem cząsteczki, w którym atom centralny, bez wolnych par elektronowych, łączy się z dwoma atomami za pomocą wiązań podwójnych. Jaki kąt będzie występował między wiązaniami w tej cząsteczce?

R1d9CYTT1lms1

Jest to cząsteczka typu $A X_{2} n_{0}$ .

Kąt między wiązaniami wynosi $180 °$ .

Ćwiczenie 3

Jaka jest różnica w strukturze pomiędzy bipiramidą trygonalną, a strukturą otrzymaną w wyniku utworzenia sześciu wiązań pomiędzy atomem centralnym a atomami otaczającymi atom centralny?

RLAFUzNmC8kMw

RqYRoxeZPc7ul

Bipiramida trygonalna to typ cząsteczki $A X_{5} n_{0}$ .

Polecenie 2

Zapoznaj się z poniższą grą edukacyjną, z pomocą której nauczysz się konstruować modele bazując na metodzie VSEPR.

Zasada działania: Na początku wybierz z listy atom główny i naciśnij przycisk „Dodaj”. Następnie, aby przyłączyć kolejne atomy, do wybranego przez Ciebie atomu głównego, ponownie wybierz je z listy, zaznacz jakim wiązaniem maja być one połączone i naciśnij przycisk „Dodaj”. Jeśli uznasz, że dodany przez Ciebie atom jest błędny wystarczy, że klikniesz na niego i wybierzesz przycisk „Usuń”. Pamiętaj, że każdy utworzony przez Ciebie model jest przestrzenny i możesz go dowolnie obracać, klikając na niego i przesuwając kursorem myszy.

R1TMCwEilyicU1

Gra edukacyjna pt. Ćwiczenia w konstruowaniu modeli cząsteczek bazując na metodzie VSEPR
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Sprawdź swoją wiedzę i odpowiedz na pytania.

Zaznacz, w jaki sposób należy zbudować model podanego związku chemicznego. Wybierz odpowiednią ilość oraz rodzaj atomów pierwiastka. Pamiętaj o wiązaniach łączących poszczególne atomy.

R1Cs8a1MSfjq8

R1KJUNC4SyvHT

R6AfiI7nn17m6

R1SdpALBL5cuw

R16UaPrpyNa5F

RZ4AvQ5xba0Uq

R1SRn8REAWuPR

Rqw9ghSZTWZCF

RYwct0bPlZE1E

RraGnd91zkLID

Ćwiczenie 4

Ćwiczenie 5

Narysuj model dowolnej cząsteczki o budowie tetraedrycznej.

RTKZBEL70ZgmD

R4Ka2MpOjgp09

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Co oznacza skrótowiec VSEPR?

Jak powstają wiązania typu sigma?

Liczba przestrzenna a kształt

Kształt cząsteczek lub jonów dla poszczególnych liczb przestrzennych

Jak ustalić kształt jonu lub cząsteczki, korzystając z metody VSEPR?

Przykład 1. Ustalanie kształtu cząsteczki obojętnej, np. ${COCl}_{2}$

Przykład 2. Ustalanie kształtu jonu ujemnego, np. ${PO}_{4}^{3 -}$

Przykład 3. Ustalanie kształtu jonu dodatniego, np. ${NH}_{4}^{+}$

Przykład 4. Ustalenie kształtu cząsteczki na podstawie wzoru elektronowego, np. ${SF}_{4}$

Notatnik

Co oznacza skrótowiec VSEPR?

Jak powstają wiązania typu sigma?

Czy można przewidzieć kształt cząsteczki?

Liczba przestrzenna a kształt

Kształt cząsteczek lub jonów dla poszczególnych liczb przestrzennych

Jak ustalić kształt jonu lub cząsteczki, korzystając z metody VSEPR?

Przykład 1. Ustalanie kształtu cząsteczki obojętnej, np. COCl2

Przykład 2. Ustalanie kształtu jonu ujemnego, np. PO43−

Przykład 3. Ustalanie kształtu jonu dodatniego, np. NH4+

Przykład 4. Ustalenie kształtu cząsteczki na podstawie wzoru elektronowego, np. SF4

Notatnik

Przykład 1. Ustalanie kształtu cząsteczki obojętnej, np. ${COCl}_{2}$

Przykład 2. Ustalanie kształtu jonu ujemnego, np. ${PO}_{4}^{3 -}$

Przykład 3. Ustalanie kształtu jonu dodatniego, np. ${NH}_{4}^{+}$

Przykład 4. Ustalenie kształtu cząsteczki na podstawie wzoru elektronowego, np. ${SF}_{4}$