1.3.1 Molekulageometria és polaritás

A rajz síkban van, a molekula térben.

Az alapvető CO₂-, CH₄-, NH₃- és H₂O-téralkatot, a kötéspolaritást és a Lewis-képleteket már megismertük az 1.2.2 Elsőrendű kémiai kötések jegyzetben. Most ezekből kiindulva új molekulák téralkatát és polaritását is meg tudod indokolni.

A VSEPR-modell a vegyértékhéj elektronpárjainak taszításán alapuló modell. A központi atom körüli elektroncsoportok olyan elrendezést vesznek fel, amely csökkenti a köztük fellépő taszító hatásokat. Szemléletesen: a csoportok igyekeznek egymástól távol elhelyezkedni.

Öt lépés: a Lewis-képlettől a polaritásig

1. Lewis-képlet: olvasd le a kötéseket és a központi atom nemkötő párjait.

2. Elektroncsoportok és AX-jelölés: számold meg a kapcsolódó atomokat és a nemkötő párokat.

3. Elektroncsoport-geometria: rendezd el az összes csoportot.

4. Téralkat és kötésszög: csak az atomok helyzetét nevezd meg.

5. Polaritás: vizsgáld a poláris kötések térbeli elrendezését és hatásuk kioltását.

Több vizsgált atom esetén a 2–4. lépést minden atom környezetére külön végezd el.

Egy irány = egy elektroncsoport

Egy elektroncsoport a vizsgált központi atom körüli egy kötési irány vagy egy nemkötő elektronpár. A kettős és a hármas kötés is egy kötési irányt ad.

CO₂: a C körül 2 csoport. HCN: a C körül 2 csoport. CH₂O: a C körül 3 csoport. A többes kötés nem növeli a kötési irányok számát; ettől még az egyszeres kötéstől eltérően befolyásolhatja a pontos szögeket.

Gyors ellenőrzés · Kettős és hármas kötés

Mit mond az AX_mE_n jelölés?

A: a vizsgált központi atom. X: egy közvetlenül hozzá kapcsolódó atom. E: egy nemkötő elektronpár a központi atomon. m a kapcsolódó atomok, n a nemkötő párok száma; m + n az elektroncsoportok száma.

Az X atomokat számol, nem kötésrendet: CO₂ = AX₂, nem AX₄; CH₂O = AX₃. Egy nemkötő párnál E-t írunk, E₁ helyett; nulla párnál az E-t elhagyjuk: NH₃ = AX₃E, CH₄ = AX₄.

Az AX-jelölés egy atom helyi környezetét írja le, nem a teljes összegképletet.

Gyors ellenőrzés · Kötések és nemkötő párok

Ugyanazt rendezzük el, mást nevezünk meg

Az elektroncsoport-geometria minden kötési irányt és központi nemkötő párt figyelembe vesz. A téralkat csak az atomok helyzetét nevezi meg. Ha nincs központi nemkötő pár, a kettő megegyezik.

A nemkötő pár nem atom, de részt vesz az elrendezés kialakításában. A lila felhő ezt jelöli a térbeli ábrákon; mérete szemléltető. Az 1.2.2-ben megismert telt ék a síkból feléd, a szaggatott ék a sík mögé mutató kötést jelöli.

Először a 2–4 elektroncsoportot rendezd el

A nemkötő párok általában nagyobb térigényűek. Az egyszerű VSEPR-modellben a taszítás jellemző sorrendje: nemkötő–nemkötő > nemkötő–kötő > kötő–kötő. Ez segít megérteni a téralkatot és a kötésszögek változását.

Két elektroncsoport: egy egyenes

A CO₂-ben két C=O, a HCN-ben egy C–H és egy C≡N irány van a C körül. Mindkettő AX₂, lineáris elektroncsoport-geometriájú és lineáris téralkatú; a szög 180°. A polaritásukat később az eltérő két vég alapján hasonlítjuk össze.

Három elektroncsoport: sík háromszög

A BF₃ három B–F iránya AX₃ jelölést és sík háromszög téralkatot ad, 120°-os szögekkel. A bór elektronhiányosságát már ismered az oktettszabály kivételei közül.

BF₃ · AX₃

3 elektroncsoport; 3 kapcsolódó atom; 0 központi nemkötő pár. Elektroncsoport-geometria: sík háromszög. Téralkat: sík háromszög. Kötésszög: 120°. Polaritás: apoláris.

A három azonos B–F kötés síkban, szimmetrikusan helyezkedik el: hatásuk kioltja egymást. A bór elektronhiányosságát már ismered.

SO₂: egy nemkötő pár megváltoztatja a téralkat nevét

A reprezentatív Lewis-képletben a S körül két kötési irány és egy nemkötő pár van. A rezonanciát az 1.2.2-ben tárgyaltuk; itt a három elektroncsoport számolása a lényeg. AX₂E → sík háromszög elektroncsoport-geometria → V alakú téralkat; a konkrét SO₂ szöge ≈119°. A poláris S–O kötések hatása nem oltja ki egymást.

Kidolgozott példa: CH₂O

1. Lewis: H₂C=O; a C-n nincs nemkötő pár.

2. Számolás: két C–H és egy C=O irány = 3 elektroncsoport, AX₃.

3. Elektroncsoport-geometria: sík háromszög.

4. Téralkat: sík háromszög a C körül; ideális kiinduló szög 120°.

5. Polaritás: a poláris C=O kötés hatása nem oltódik ki, ezért a molekula poláris.

Négy elektroncsoport: három ismerős molekula együtt

Mindhárom esetben tetraéderes az elektroncsoport-geometria. CH₄: négy kötés, nincs nemkötő pár → tetraéderes téralkat. NH₃: három kötés, egy nemkötő pár → háromszög alapú piramis. H₂O: két kötés, két nemkötő pár → V alakú téralkat.

Ebben a sorban több nemkötő pár → kisebb kötésszög: 109,5° → ≈107° → ≈104,5°. Ez hasznos tendencia ebben az összehasonlításban, nem minden molekulára alkalmazható számszabály.

Rövid ellenpélda: H₂S is AX₂E₂, de a H–S–H szög ≈92°. Az AX-jelölés nem rögzíti a pontos kötésszöget.

Gyors ellenőrzés · Geometria vagy téralkat?

A 2–4 csoportos téralkatcsaládok

A táblázat 107°-os és 104,5°-os adata az NH₃-ra és H₂O-ra vonatkozik; nem minden AX₃E, illetve AX₂E₂ részecske szöge ugyanekkora. A 120° és 109,5° az ideális geometriákhoz is viszonyítási alap.

A téralkat után vizsgáld a polaritást

1. Mely kötések polárisak?

2. Hogyan helyezkednek el térben?

3. Kioltják egymás hatását, vagy marad töltéseltolódás a molekulában?

Azonos kapcsolódó atomok megfelelő, szimmetrikus elrendezése gyakran kioltást ad. A téralkat neve önmagában nem elég: a kapcsolódó atomokat és a kötések polaritását is vizsgáld.

CO₂ és HCN: mindkettő lineáris, mégsem azonos a polaritásuk

CO₂: a két azonos C=O kötés ellentétes irányban helyezkedik el, hatásuk kioltja egymást → apoláris. HCN: a két vég eltérő, a kötések hatása nem oltja ki egymást → poláris.

CCl₄ és CH₃Cl: azonos AX₄, eltérő kapcsolódó atomok

CCl₄: négy azonos poláris C–Cl kötés tetraéderes elrendezésben kioltja egymás hatását → apoláris. CH₃Cl: három H és egy Cl kapcsolódik a C-hez; a C–Cl kötés hatása nem oltódik ki → poláris.

CCl₄ · AX₄

4 elektroncsoport; 4 kapcsolódó atom; 0 központi nemkötő pár. Elektroncsoport-geometria: tetraéderes. Téralkat: tetraéderes. Kötésszög: 109,5°. Polaritás: apoláris.

A négy azonos poláris C–Cl kötés tetraéderes elrendezésben kioltja egymás hatását: apoláris molekula.

CH₃Cl · AX₄

4 elektroncsoport; 4 kapcsolódó atom; 0 központi nemkötő pár. Elektroncsoport-geometria: tetraéderes. Téralkat: tetraéderes. Kötésszög: ideális kiindulás: 109,5°. Polaritás: poláris.

AX₄ és tetraéderes, de a négy kapcsolódó atom nem azonos. A C–Cl kötés hatása nem oltódik ki: poláris molekula.

Gyors ellenőrzés · A téralkat nem elég

Több vizsgált atom: külön AX-jelölések

Etanol: CH₃–CH₂–OH

1. A CH₃-csoport C-atomja három H-hoz és egy C-hez kapcsolódik: AX₄, tetraéderes.

2. A CH₂-csoport C-atomja két H-hoz, egy C-hez és egy O-hoz kapcsolódik: AX₄, tetraéderes.

3. Az O egy C-hez és egy H-hoz kapcsolódik, két nemkötő párja van: AX₂E₂; tetraéderes elektroncsoport-geometria, V alakú helyi téralkat.

A teljes etanolmolekulának nem adunk egyetlen AX-kódot. Polaritásához az egész szerkezetet és a poláris C–O, O–H kötések elrendezését vizsgáljuk: hatásuk nem oltódik ki.

Etén: mindkét C körül három kötési irány van → AX₃, sík háromszög. Etin: mindkét C körül két kötési irány van → AX₂, lineáris. A többes kötés itt is egy irány.

Gyors ellenőrzés · Helyi környezet

Ugyanez a számolás összetett ionoknál

Nettó töltésű ionok; itt nem alkalmazzuk rájuk a semleges molekulák poláris/apoláris besorolását. A következő jegyzetben az összetett ionokkal foglalkozunk tovább.

Hat gyakori hiba, amit elkerülhetsz

1. A többes kötést egy kötési iránynak számold.

2. A nemkötő pár nem atom, de elektroncsoport.

3. Az elektroncsoport-geometria és a téralkat neve nem mindig azonos.

4. Az AX-jelölés nem adja meg önmagában a polaritást.

5. A nemkötő pár jelenléte önmagában nem bizonyítja, hogy egy molekula poláris.

6. Az AX-jelölés nem rögzíti a pontos kötésszöget.

Térben is kövesd a gondolatmenetet

A műhelyben az AX-jelölésből indulhatsz ki, összehasonlíthatod a geometriát a téralkattal, vagy konkrét molekulák polaritását vizsgálhatod. Az „Építsd fel” nézet lépésenként vezet végig a számoláson; az „Előbb tippelj” nézetben a modell csak a válaszod után jelenik meg.

Mire jó a VSEPR-modell, és hol vannak a határai?

A VSEPR egyszerű, főcsoportbeli részecskéknél segít a Lewis-képletből a téralkatra következtetni. A kötésszögeket a kapcsolódó atomok és a kötés jellege is befolyásolja: az AX-jelölés nem pontos szögmérő. A komplexek térszerkezetét további szempontok határozzák meg; rájuk nem alkalmazzuk mechanikusan ugyanazt a szabályt.

Összefoglaló esetek: indokold a teljes láncot

1. CO₂ és HCN

A megadott O=C=O és H–C≡N képletből add meg a C környezetének AX-jelölését, elektroncsoport-geometriáját, téralkatát, szögét és a molekulák polaritását. Miért különbözik az utolsó válasz?

2. CH₄, NH₃, H₂O

Hasonlítsd össze az AX-jelölést, a csoportok számát, a geometriát, a téralkatot és a konkrét kötésszögeket. Indokold a szögváltozást, és mondd meg a polaritást.

3. CH₂O és etanol

A H₂C=O, illetve CH₃–CH₂–OH képletben vizsgáld a C-atomok és az etanol O-atomjának helyi környezetét. Add meg az AX-jelölést, a geometriát és a téralkatot, majd indokold a molekulák polaritását.

4. CCl₄ és CH₃Cl

Mindkét molekula AX₄. Add meg a téralkatot, majd indokold, miért nem elegendő ez a polaritás eldöntéséhez.

Memóriakártya

1. Lewis-képlet → elektroncsoport → AX → geometria → téralkat → polaritás.

2. Egy egyszeres, kettős vagy hármas kötés egy kötési irány.

3. Egy központi nemkötő pár egy elektroncsoport.

4. AX_mE_n: m kapcsolódó atom, n nemkötő pár; m + n csoport.

5. 2 csoport: lineáris, 180°.

6. 3 csoport: sík háromszög, ideálisan 120°.

7. 4 csoport: tetraéderes, ideálisan 109,5°.

8. A téralkat csak az atomok helyzetét nevezi meg.

9. A nemkötő pár általában nagyobb térigényű; nemkötő–nemkötő > nemkötő–kötő > kötő–kötő.

10. A pontos szög nem olvasható ki csak az AX-kódból.

11. A polaritáshoz a kötések polaritása és térbeli elrendezése együtt kell.

12. Több vizsgált atomnál külön helyi AX-kódokat adunk.

Fogalomkapcsolatok

Lewis-képlet → kapcsolódó atomok + központi nemkötő párok → AX-jelölés → összes elektroncsoport → elektroncsoport-geometria → csak az atomok helyzete: téralkat → poláris kötések elrendezése és hatásuk kioltása → molekulapolaritás.

Kapcsolat az érettségi követelményekkel

A középszintű követelmény egyszerű molekulák téralkatának értelmezését, illetve a téralkat és kötéspolaritás szerepét kéri a molekulapolaritás megállapításában. A felsorolt példák között H₂O, NH₃, CO₂, SO₂, CH₄, CCl₄ és CH₂O is szerepel.

Források

Oktatási Hivatal: Kémia – részletes érettségi vizsgakövetelmények, 2024-től alkalmazott követelmények. OpenStax: Chemistry 2e, 7.6 Molecular Structure and Polarity. NIST CCCBDB: kísérleti molekulageometriák (NH₃, H₂O, SO₂, H₂S); a szögeket tanulási célra kerekítve adjuk meg.

Következő: 1.3.2 Összetett ionok és komplexek

Sok összetett ion téralkatához ugyanígy használhatod a Lewis-képletet és a VSEPR-modellt. A komplexek térszerkezetéhez további szempontok szükségesek; nem elég mechanikusan AX-jelölést adni.