Metoda VSEPR – wszystko, co musisz wiedzieć przed Olimpiadą Chemiczną

Praktycznie co roku w zadaniu z chemii nieorganicznej pojawia się pytanie w stylu „naszkicuj budowę przestrzenną cząsteczki” i bardzo często jest to pytanie bardzo wysoko punktowane. Jeśli zostaniemy zapytani o geometrę wody czy metanu, to każdy odpowie, że woda ma budowę kątową, a metan tetragonalną. A co, jeśli ktoś nas poprosi o naszkicowanie cząsteczki ClF₃ lub, idąc w stronę jeszcze bardziej egzotycznych związków, XeF₆ lub SF₆? Nie jest to już tak oczywiste – w udzieleniu odpowiedzi przychodzi nam jednak z pomocą metoda VSEPR. W dalszej części artykułu przedstawimy założenia metody i opiszemy kilka pouczających przykładów jej zastosowania. Aby w pełni zapoznać się z materiałem niezbędnym na Olimpiadzie Chemicznej zapraszamy do wzięcia udziału w przygotowaniach z Indeksem w Kieszeni!  

Źródło: www.unsplash.com

Opis metody VSEPR

Metoda VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion), czyli z angielskiego odpychanie się par elektronowych znajdujących się na powłoce walencyjnej. Została sformułowana w 1940 r.  przez chemików Ronalda Gillespie’a oraz Ronalda Nyholma. Pozwala w wielu przypadkach wyznaczyć geometrię cząsteczki. Aby dowiedzieć się, jak to zrobić, uściślijmy kilka kwestii:

– W tym modelu wyobrażamy sobie cząsteczkę jako składającą się z atomu centralnego oraz jednego lub wielu innych atomów połączonych z atomem centralnym wiązaniami. Te inne atomy nazwiemy ligandami. Jeśli cząsteczka jest skomplikowana i można wyróżnić kilka atomów centralnych, to możemy badać geometrię otoczenia każdego z nich;

– Związki muszą zawierać pierwiastki grup głównych układu okresowego;

– Zakładamy, że orbitale atomu centralnego ulegają hybrydyzacji.

Naszym celem będzie teraz wyznaczenie liczby przestrzennej, która opisuje liczbę zhybrydyzowanych orbitali i, co za tym idzie, typ hybrydyzacji i podstawowy wielościan koordynacyjny. Aby nabrać odrobiny intuicji możemy zapytać, co będzie oznaczała Lp (liczba przestrzenna) równa 4? Oznacza to obecność czterech zhybrydyzowanych orbitali (sp³). 

Orbitale atomowe możemy rozumieć jako pewną gęstość elektronową. Z podstaw elektrostatyki wiemy, że elektrony jako ładunki jednoimienne będą się odpychać. A jaka jest geometria wokół atomu centralnego, w której orbitale te będą najdalej od siebie? Oczywiście znany nam tetraedr! Liczba przestrzenna będzie nam więc mówić, ile mamy orbitali i – co za tym idzie – ligandów i WPE do rozłożenia w przestrzeni. Będziemy musieli robić to tak, aby wszystkie orbitale były jak najdalej od siebie. Bardziej skomplikowanymi geometriami zajmiemy się wkrótce. Teraz spójrzmy, jak obliczyć liczbę przestrzenną:

Lp=ilość ligandów+ilość wolnych par elektronowych

Załóżmy, że udało nam się ustalić, że atom centralny ma np.  6 elektronów walencyjnych i połączony jest z dwoma ligandami. Liczbę ligandów już znamy – wynosi 2. Aby policzyć ilość wolnych par elektronowych (WPE), musimy odjąć ilość ligandów od ilości elektronów walencyjnych (ponieważ te elektrony zostają użyte na wytworzenie wiązania, a nie WPE) i podzielić przez 2, gdyż każda WPE składa się z dwóch elektronów.  Liczba WPE dla tego atomu wyniosła więc   6-22=2  czyli Lp jest równa 4.

VSEPR – kilka pouczających przykładów

Na pierwszy rzut oka metoda ta i płynące z niej korzyści mogą nie wydać się oczywiste. Resztę artykułu poświęcimy opisowi przykładów jej zastosowania w szukaniu geometrii związków.

H₂O

1. Identyfikujemy atom centralny – jest nim tlen.

2. Obliczamy liczbę ligandów, liczbę WPE i Lp.

Jak widać ze wzoru wody, tlen łączy się z dwoma atomami wodoru więc mamy dwa ligandy.  Tlen leży w 16 grupie ma 6 elektronów walencyjnych, więc WPE = 6-22=2  . Liczba przestrzenna wynosi więc 4.

3. Określamy wielościan koordynacyjny i hybrydyzację.

Jako że Lp wynosi 4, szukamy takiej geometrii, w której 4 orbitale będą jak najdalej od siebie. Jest to tetraedr i tlen będzie miał hybrydyzacje sp³. Ale my przecież wiemy, że woda ma budowę kątową! I tutaj właśnie dochodzimy do najważniejszej części rozważań – wielościanem koordynacyjnym jest tetraedr, i w tym tetraedrze musimy rozłożyć dwa ligandy (atomy H) oraz dwie WPE, tak aby oddziaływania były jak najmniejsze. Pary elektronowe, ze względu na większy ładunek, będą mocnej się odpychały niż wiązania i tetraedr się lekko odkształci.  Jest to widoczne na rysunku po prawej, różowym kolorem oznaczony jest tlen, białym wodór, zaś na żółto zaznaczone są wolne pary elektronowe. Widać, że orbitale rzeczywiście układają się mniej więcej w kształt tetraedru.

4. Określamy strukturę przestrzenną cząsteczki.

Polega to na zastanowieniu się, jak w rzeczywistości badana cząsteczka wygląda w przestrzeni – par elektronowych przecież nie widać. Możemy więc narysować przestrzenną budowę cząsteczki, czyli to, o co najczęściej nas pytają na Olimpiadzie.

ClF₃

Teraz spróbujmy zastosować teorię VSEPR, aby znaleźć budowę przestrzenną trochę bardziej skomplikowanej cząsteczki:

1. Identyfikujemy atom centralny, jest nim chlor.

2. Obliczamy liczbę ligandów, WPE i Lp.

Mamy trzy atomy fluoru, więc ligandów mamy 3. Chlor leży w 17. grupie układu okresowego, więc ma 7 elektronów walencyjnych. Czyli WPE = 7-32=2. Liczba przestrzenna wynosi więc 5.

3. Określamy wielościan koordynacyjny i hybrydyzację.

Tym razem musimy ustawić w przestrzeni 5 orbitali tak, aby były oddalone jak najdalej od siebie. Okazuje się (zgodnie z intuicją), że wielościan koordynacyjny, który będą tworzyć, to bipiramida trygonalna. Możemy o tym wielościanie myśleć jako o dwóch tetraedrach sklejonych podstawami. W naszym przypadku mamy do ustawienia w przestrzeni trzy atomy fluoru i dwie pary elektronowe tak, aby oddziaływania pomiędzy nimi były jak najmniejsze. Okazuje się, że takie ustawienie zaistnieje wtedy, kiedy pary elektronowe będą leżały w płaszczyźnie poziomej stanowiącej płaszczyznę symetrii tej piramidy. Takie ustawienie jest preferowane, gdyż w takim przypadku każda z par elektronowych będzie oddziaływała pod kątem 90°  z dwoma wiązaniami sigma a zresztą pod kątem 120°. Jeśli by pary elektronowe umieścić w wierzchołkach piramidy to każda z nich by oddziaływała pod kątem 90° z trzema wiązaniami sigma. Wiadomo, że oddziaływanie pod większym kątem jest słabsze, gdyż jest większa odległość pomiędzy orbitalami.  Hybrydyzacja w tym przypadku wynosi sp³d.

4. Określamy strukturę przestrzenną cząsteczki.

Znów, pary elektronowe nas nie interesują przy rozważaniach nad strukturą przestrzenną cząsteczki, więc będzie ona przypominała literę T. Podobnie będzie wyglądać również cząsteczka BrF₃. Przykład struktury w kształcie litery T jest popularny na Olimpiadzie!

XeF₆

Wykorzystajmy teraz metodę VSEPR do analizy geometrii bardzo egzotycznego związku – heksafluorku ksenonu. Postępujemy tak jak w przypadku każdego z poprzednich przykładów.

1. Identyfikujemy atom centralny – jest nim oczywiście ksenon.

2. Obliczamy liczbę ligandów, liczbę WPE i Lp.

Ze wzoru widzimy, że mamy 6 ligandów. Jako że ksenon leży w 18 grupie, ma 8 elektronów walencyjnych, związek ten posiada więc WPE = 8-62 =1. Liczba przestrzenna wynosi więc 7.

3. Określamy wielościan koordynacyjny i hybrydyzację.

Tym razem wielościanem koordynacyjnym będzie znów taki układ, gdzie oddziaływania są najmniejsze, czyli bipiramida pentagonalna. Możemy o niej myśleć jak o dwóch sklejonych podstawami ostrosłupach z pięciokątem foremnym w podstawie. Musimy w tym wielokącie umieścić sześć atomów fluoru oraz jedną parę elektronową. Tym razem słabsze oddziaływania pary elektronowej z sąsiadującymi wiązaniami będzie, gdy umieścimy ją w jednym z wierzchołków piramidy. 

Dzieje się to dlatego, że kąt 90°, czyli kąt oddziaływania tej pary z pięcioma wiązaniami, będzie większy niż kąt pomiędzy kolejnymi wierzchołkami pięciokąta foremnego. Hybrydyzacja takiego układu wynosi sp³d³.

4. Określamy strukturę przestrzenną cząsteczki.

Jeśli narysujemy strukturę przestrzenną tej cząsteczki, to dostaniemy dość subtelną strukturę, gdyż będzie to piramida pentagonalna. Ważne jest jednak pamiętać, skąd ten kształt się wziął.

Ważna uwaga o jonach:

Jeśli związek obdarzony jest ładunkiem, np. NO₃^–, to zgodnie z teorią VSEPR zakładamy, że ładunek ten znajduje się na atomie centralnym i uwzględniamy go w ilości elektronów walencyjnych (+ 1 elektron, gdy ładunek jest ujemny, i – 1 elektron, gdy ładunek jest dodatni).

Powiedziawszy to, poznaliśmy w całości niezwykle użyteczny model pozwalający wyznaczyć geometrię nawet na pozór bardzo skomplikowanych związków. Jako że problem struktury przestrzennej pojawia się na Olimpiadzie Chemicznej nagminnie, zachęcamy do dokładnego przeanalizowania tego modelu. Jeśli pragniecie jeszcze poszerzyć wiedzę, przećwiczyć określanie struktury związków w zadaniach i przykładach i macie jakieś pytania, zachęcamy do odwiedzenia podstrony dedykowanej kompleksowemu przygotowaniu do Olimpiady Chemicznej!