VSEPR ( – odpychanie par elektronowych powłoki walencyjnej). Teoria ta została zaprezentowana w 1940 roku przez i . Według niej o budowie przestrzennej cząsteczki decyduje łączna liczba elektronów walencyjnych wokół atomu centralnego oraz orientacja przestrzenna obszarów orbitalnych, w których mieszczą się te elektrony.
Teoria VSEPR zakłada, że pary elektronów są rozmieszczone wokół atomu centralnego tak, aby siły wzajemnego odpychania były możliwie jak najmniejsze, przy czym w sumarycznym efekcie wszystkich odpychań istotny jest udział wolnych (niewiążących) i wiążących par elektronowych. Najsłabiej odpychają się pary wiążące, potem para wiążąca z wolną parą elektronową, a najsilniej dwie wolne pary elektronowe. Inaczej mówiąc, jeżeli odległości par decydujących o geometrii cząsteczki są maksymalne, to w zależności od liczby tych par powstają pewne uprzywilejowane struktury o charakterystycznym rozmieszczeniu wolnych i wiążących par elektronowych na wyróżnionych kierunkach wokół atomu centralnego.
Regularne kształty cząsteczek powstają tylko wtedy, gdy wszystkie pary elektronów wiążących zostaną wykorzystane do związania takich samych atomów. Występowanie w cząsteczce różnych ligandów wokół atomu centralnego i niewiążących par elektronowych zaburza idealne struktury, np. wraz z rosnącą liczbą wolnych par elektronowych może następować zmiana kąta wiązania.
W niektórych przypadkach teoria VSEPR nie nadaje się do przewidywania budowy przestrzennej związków, gdyż nie prowadzi do prawidłowego opisu ich struktury, np. nie jest wygodne zastosowanie jej do opisu budowy cząsteczek zawierających wiązania zdelokalizowane.
Opis koncepcji Właściwości i geometrię cząsteczek typu ABn można opisać, przyjmując że: A jest atomem centralnym i n atomów B (jednakowych bądź różnych), zwanych roboczo ligandami, uczestniczy w tworzeniu orbitali molekularnych z atomem A cząsteczka zawiera pierwiastki grup głównych układu okresowego hybrydyzacji ulegają orbitale atomu centralnego A jeżeli cząsteczka zawiera więcej niż jeden atom centralny to hybrydyzacji ulegają wszystkie atomy centralne (jak np. C w etenie ) Wśród elektronów walencyjnych atomu centralnego wyróżnia się: wolne pary elektronowe danego atomu (zlokalizowane w polu jednego jądra) - stanowią pary niewiążące elektrony, które są wspólne dla dwóch sąsiadujących atomów - stanowią pary wiążące (pary zlokalizowane w polu dwóch sąsiadujących jąder) Wśród par wiążących wyróżnić można pary σ i pary π, które mogą tworzyć: wiązania typu σ (o symetrii względem osi łączącej jądra) wiązania typu π (o obszarze orbitalnym złożonym z dwóch fragmentów leżących poza osią łączącą jądra)
Określonym wartościom liczby przestrzennej oznaczanej symbolem Lp, równej liczbie orbitali zhybrydyzowanych (LH), odpowiada określona geometria cząsteczka. O kształcie cząsteczki decyduje liczba wiążących par elektronowych (PW) i wolnych par elektronowych (WPE). Ich suma wskazuje typ hybrydyzacji, a tym samym podstawowy wielościan koordynacyjny, którego naroża zajmują atomy lub wolne pary elektronowe: Lp = σPW + WPE = LH gdzie: σPW - liczba par elektronowych tworzących wiązanie σ; wynosi ona tyle, ile atomów B jest przyłączonych do atomu centralnego A. Przykład: dla σPW = 5, dla σPW = 2, dla σPW = 3, WPE - liczba wolnych par elektronowych atomu centralnego; oblicza się ją odejmując od liczby elektronów walencyjnych atomu centralnego A, taką liczbę elektronów, jaka jest potrzebna do uzupełnienia konfiguracji wszystkich atomów B i dzieli przez 2, czyli WPE = 1/2 [liczby elektronów walencyjnych atomu A pomniejszona o liczbę elektronów potrzebną do uzupełnienia oktetów (lub dubletów dla wodoru) dla n atomów B]. Dla jonów ujemnych zwiększa się, a dla jonów dodatnich zmniejsza się liczbę elektronów walencyjnych o ładunek jonu. Przykład: Dla WPE = (6-2)/2 = 2, dla WPE = (6+2−8)/2 = 0.
Wartość liczby przestrzennej możemy ustalić: ze wzoru elektronowego cząsteczki przez zsumowanie liczby wolnych par elektronowych atomu centralnego z liczbą par elektronowych tworzących wiązania σ (równej liczbie atomów B przyłączonych do atomu centralnego) Ostatni etap opisu budowy przestrzennej cząsteczki opiera się na fakcie, że do każdej wartości Lp jest przyporządkowana charakterystyczna struktura przestrzenna. Można więc powiedzieć, że przestrzenna budowa cząsteczki, a zatem kierunki, w jakich ustawiają się ligandy i wolne pary elektronowe, są określone liczbą przestrzenną.
Zależność między liczbą wolnych i wiążących par elektronowych a kształtem cząsteczki według modelu VSEPR zebrano w tabeli:
Typ Cząsteczki: A - atom centralny X - ligandy E - wolne pary elektronowe Liczba przestrzenna Typ hybrydyzacji Kształt cząsteczki Rozmieszczenie elektronów (na żółto zaznaczono wolne pary elektronowe) Geometria cząsteczki Przykłady AX1En cząsteczka dwuatomowa 100px 100px HF, AX2E02sp linia 100px 100px , , AX2E13sp2 Kształt litery V 100px 100px , , AX2E24sp3 Kształt litery V 100px 100px , AX2E35sp3dWedług współczesnych poglądów, rzeczywisty udział orbitali d w wiązaniu jest znikomy. Zob. np. linia 100px 100px , AX3E03sp2 trójkąt równoboczny 100px 100px , , , AX3E14sp3 piramida trygonalna 100px 100px , AX3E25sp3d kształt litery T 100px 100px , AX4E04sp3 tetraedr 100px 100px , , , AX4E15sp3d zdeformowany tetraedr 100px 100px AX4E26sp3d2 kwadrat, płaski 100px 100px AX5E05sp3d bipiramida trygonalna 100px 100px AX5E16sp3d2 piramida kwadratowa 100px 100px , AX6E06sp3d2 oktaedr 100px 100px AX6E17sp3d3 piramida pentagonalna 100px 100px AX7E07sp3d3 bipiramida pentagonalna 100px 100px
Liczbaprzestrzennakształt cząsteczkibrak wolnych par elektronowych1 wolna para elektronowa2 wolne pary elektronowe3 wolne pary elektronowe2 128pxlinia 3 128pxtrójkąt równoboczny 128pxKształt litery V 4 128pxtetraedr 128pxpiramida trygonalna 128pxKształt litery V 5 128pxbipiramida trygonalna 128pxzdeformowany tetraedr 128pxkształt litery T 128pxliniowy6 128pxoktaedr 128pxpiramida kwadratowa 128pxkwadrat, płaski 7 128pxbipiramida pentagonalna 128pxpiramida pentagonalna
Poniżej podano przykłady obliczeń odpowiednich parametrów, dzięki którym, przy zastosowaniu metody VSEPR, można określić budowę cząsteczki:
Atom centralny Wolne pary elektronowe Liczba przestrzenna Lp= PW + WPE typ hybrydyzacji kształt C w (4−4x1)/2 = 0 4+0=4 sp3 Tetraedr O w (6−2x1)/2=2 2+2=4 sp3 Kształt litery V N w (5−3x1)/2=1 3+1=4 sp3 Piramida trygonalna S w (6−2x2)/2=1 2+1=3 sp2 Kształt litery V C w (4−3x2+2)/2=0 3+0=3 sp2 trójkąt równoboczny C w (4−2x2)/2=0 2+0=2 sp liniowa
Przypisy
Linki zewnętrzne opis procedury krok po kroku z przykładami
Kategoria:Chemia obliczeniowa