Budowa przestrzenna dwuatomowych cząsteczek (zarówno homoatomowych $X_2$, jak i heteroatomowych $XY$) nie wymaga szczególnej analizy, gdyż cząsteczka dwuatomowa zawsze będzie przyjmowała geometrię liniową. Natomiast budowę cząsteczek wieloatomowych typu $XYn$ najłatwiej wytłumaczyć, wykorzystując teorię VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion), czyli teorię odpychania par elektronów walencyjnych. Posługując się tą teorią, można przewidzieć kształt cząsteczki.

Typ cząsteczki $XYn$ 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.

Rzeczywisty kształt cząsteczki zależy nie tylko od typu hybrydyzacjihybrydyzacjahybrydyzacji orbitali walencyjnych atomu centralnego, ale także od tego, czy dana hybryda jest wykorzystana do utworzenia wiązania z innym atomem, czy obsadzana jest przez wolną parę elektronową.

Istotny wpływ na kształt cząsteczki ma właśnie obecność wolnych par elektronowych atomu centralnego. Do określania liczby przestrzennejliczba przestrzennaliczby przestrzennej – $Lp$, a tym samym typu hybrydyzacji orbitali walencyjnych atomu centralnego rozpatrywanej cząsteczki, można stosować poniższy wzór:

Gdzie:

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

• $m$ – liczba wiązań sigma ($\mathrm{\sigma }$) 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.

Reguła 1

Jeżeli $Lp=n$, czyli liczba hybryd jest równa liczbie par tworzących wiązania $\mathrm{\sigma }$, to kształt cząsteczki jest na ogół zgodny z przestrzennym rozmieszczeniem hybryd.

Przykład 1

Taki przypadek występuje dla cząsteczki metanu ${\text{CH}}_4$, w której hybrydy $s{p}^3$ tworzą wiązania z czterema atomami wodoru. Wszystkie te wiązania są równocenne (kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą $\mathrm{109,5}°$). W cząsteczce nie występują wolne pary elektronowe, co jest powodem względnej trwałości chemicznej tego związku.

RkhrC2yfkc5nB

Ilustracja przedstawiająca wzór przestrzenny cząsteczki metanu. Atom węgla C łączy się z czterema atomami wodoru H. Dwa z nich leżą w jednej płaszczyźnie z wspomnianym atomem węgla, trzeci wychodzi przed płaszczyznę, zaś czwarty za płaszczyznę. Długość wiązań węgiel wodoru w omawianej cząsteczce wynosi 108,70 pikometrów. Kąt pomiędzy atomami H C H jest równy 109,5 stopnia. Obok znajduje się model kulkowo-pręcikowy cząsteczki metanu, w którym atom węgla reprezentowany jest przez szarą kulkę, zaś atomy wodoru przez białe kulki.

W przypadku gdy w cząsteczce znajduje się więcej niż jeden atom centralny, wówczas geometria wokół każdego z nich rozpatrywana jest oddzielnie. Oznacza to, że każdy z atomów centralnych ulega hybrydyzacjihybrydyzacjahybrydyzacji.

Przykład 2

Kwas etanowy (${\text{CH}}_3\text{COOH}$) posiada $3$ rodzaje geometrii dla $3$ różnych atomów centralnych:

R1KXz3I0b0Nuc

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny oraz model 3D cząsteczki kwasu etanowego, czyli kwasu octowego. Wzór strukturalny zbudowany jest z atomu węgla C związanego z trzema atomami wodoru oraz z atomem węgla C1. Atom węgla C1 łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu O oraz za pomocą wiązania pojedynczego z drugim atomem tlenu, który to związany jest atomem wodoru H. Obok znajduje się model kulkowo-pręcikowy cząsteczki kwasu etanowego o analogicznej strukturze, w której atomy węgla reprezentują szare kulki, atomy tlenu czerwone, a atomy wodoru białe. W modelu odwzorowano również strukturę przestrzenną, w której atomy tworzące grupę karboksylową oraz atom węgla grupy ${\text{CH}}_3$ i jeden z atomów wodoru należących do niej znajdują się w jednej płaszczyźnie. Natomiast dwa pozostałe atomy wodoru przy grupie ${\text{CH}}_3$ są poza płaszczyzną, jeden przed płaszczyzną, a drugi za płaszczyzną.

1. Atom węgla, oznaczony numerem $1$, tworzy $4$ wiązania kowalencyjne i nie posiada wolnych par elektronowych. Wokół atomu centralnego występuje tetraedryczny układ wiązań.

2. Atom węgla, oznaczony numerem $2$, tworzy $3$ wiązania (licząc wiązanie podwójne, jako jedno wiązanie). Dla tego atomu centralnego przypisuje się geometrię trygonalną płaską.

3. Atom tlenu, oznaczony numerem $3$, tworzy $2$ wiązania. Atom tlenu posiada również dwie wolne pary elektronowe. Z tego względu wokół atomu tlenu występuje tetraedryczny układ wiązań, a z uwagi na obecność wolnych par elektronowych, układ wiązań wokół atomu tlenu określany jest jako zgięty kątowy.

Reguła 2

Jeżeli atom centralny ma wolną parę elektronową (lub pary), to następują zmiany w kształcie cząsteczki. Nie jest on zgodny z przestrzennym rozmieszczeniem hybryd, co wynika z różnic w energii odpychania elektronów. Energia rośnie w szeregu:

R3bFCc5vmfkBB

Schemat przedstawiający energię odpychania elektronów. Po lewej stronie znajduje się czerwona strzałka skierowana do góry opisana "energia odpychania elektronów". Od dołu, czyli od najniższej energii: 1. wiążąca para sigma oraz wiążąca para sigma; 2. wiążąca para sigma oraz wolna para elektronowa; 3. wolna para elektronowa strzałka oraz wolna para elektronowa.

Odpychanie pomiędzy wiążącą parą $\mathrm{\sigma }$ i wolną parą elektronową jest silniejsze niż odpychanie pomiędzy wiążącymi parami $\mathrm{\sigma }$. Jeśli taka sytuacja ma miejsce w cząsteczce, to jej kształt nie będzie zgodny z przestrzennym ułożeniem hybryd. Osie orbitali $\mathrm{\sigma }$ nie będą się pokrywały z osiami wyjściowych orbitali zhybrydyzowanych. Wówczas kąt pomiędzy osią hybrydy, obsadzonej przez wolną parę elektronową a osią orbitalu $\mathrm{\sigma }$, obsadzonego elektronami tworzącymi wiązanie chemiczne, będzie większy (silniejsze odpychanie) niż kąt pomiędzy osiami dwóch orbitali $\mathrm{\sigma }$, obsadzonych tylko elektronami wiążącymi (słabsze odpychanie).

Przykład 3

W cząsteczce amoniaku ${\text{NH}}_3$ obecność wolnej pary elektronowej powoduje niewielkie zniekształcenie struktury, ponieważ odpychanie elektronów pary $n$ jest silniejsze od tych, które tworzą wiązania $\text{N}—\text{H}$. Z tego względu kąt między wiązaniami jest nieco mniejszy ($\mathrm{107,8}°$), niż np. między wiązaniami $\text{C}—\text{H}$ w cząsteczce metanu ($\mathrm{109,5}°$).

R1NqwdGRjiNdh

Ilustracja przedstawiająca wzór przestrzenny amoniaku oraz model 3D. Po lewej stronie atom azotu N  połączony jest z trzema atomami wodoru H. Nad atomem azotu znajduje się wolna para elektronowa symbolizowana przez dwie kropki. Atomy w cząsteczce tworzą tak zwaną piramidę trygonalną, to znaczy atom azotu stanowi górny wierzchołek piramidy, zaś trzy atomu azotu znajdują się w wierzchołkach podstawy. Długość wiązania pomiędzy atomem azotu a atomem wodoru wynosi 101,7 pikometra. Kąt pomiędzy atomami H N H wynosi 107,8 stopnia. Z prawej strony znajduje się model kulkowo-pręcikowy zbudowany z różowej kulki symbolizującej atom azotu, połączonej z trzema białymi kulkami symbolizującymi atomy wodoru oraz z żółtą kulką, która odpowiada wolnej parze elektronowej.

Słownik

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Chemia. Repetytorium. Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010.

Vollhardt P., Schore N., Organic Chemistry: Structure and Function, 6th Edition, New York 2011.