Przeczytaj

bg‑cyan

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.

bg‑cyan

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.

Słownik

liczba przestrzenna

wartość pozwalająca wyznaczyć kształt cząsteczki z użyciem metody VSEPR; liczba przestrzenna jest równa liczbie wiązań z atomami otaczającymi i wolnych par elektronowych dookoła atomu centralnego cząsteczki; wiązania wielokrotne i wolne elektrony liczy się jako pojedyncze wiązanie

atom centralny (jon centralny)

atom bądź jon stanowiący rdzeń kompleksu (koordynacyjne związki) i przyłączający (koordynujący) pewną liczbę jonów ujemnych lub cząsteczek obojętnych, zwanych atomami otaczającymi

hybrydyzacja

(łac. hibrida „mieszaniec”) w chemii kwantowej – tworzenie kombinacji liniowych orbitali atomowych powłoki walencyjnej danego atomu wieloelektronowego, różniących się wartościami pobocznej liczby kwantowej

Bibliografia

Basiński A., Bielański A., Gumiński K. i inni, Chemia fizyczna, Warszawa 1966, s. 86–110.

Encyklopedia PWN

Jones L., Atkins P.,Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.

Pfennig B. W., Principles of Inorganic Chemistry, New Jersey 2015.

Słownik Języka Polskiego PWN

Usnalski W., Chemia w szkole średniej, Warszawa 1998.

Wprowadzenie

Film samouczek

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. ${SF}_{4}$

Słownik

Bibliografia

Wprowadzenie

Film samouczek

Przeczytaj

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

Słownik

Bibliografia

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. ${SF}_{4}$