Lewise struktuur ja VSEPR molekulaarlabor

Ehita molekule valides tsentraalaatomi, lisades ligandeid ja vabu elektronpaare. Lohista, et pöörata 3D VSEPR kujutist ja uurida nurki.

Näidisarvutus — Lewise struktuur ja VSEPR molekulaarlabor

Steric Number (SN)	4
Formal Charge on Central Atom	0
Multi-lone-pair compression:	≈ 104.5°

Need on väärtused, mida kalkulaator lehe avamisel näitab. Muuda ülal mõnda sisendit, et need ümber arvutada.

Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Vabad elektronipaarid võtavad rohkem ruumi kui sidemed 🖖

VSEPR (valentskihi elektronpaaride tõukumise) teooria seletab molekulide kuju, eeldades, et tsentraalse aatomi valentskihi elektronpaarid tõukuvad üksteisest. Elektrostaatilise tõukumise minimeerimiseks paigutuvad need elektronpaarid ruumis nii, et nende vahekaugus oleks maksimaalne (lineaarne, tetraeedriline, oktaeedriline). Vabad elektronpaarid võtavad rohkem ruumi kui siduvad paarid, kuna neid hoitakse ühe aatomituuma lähedal, mitte ei jagata kahe vahel. See moonutab ideaalseid sidemenurki: vee puhul surub kahe vaba elektronpaari tõukumine H-O-H sidemenurga ideaalselt 109,5°-lt 104,5°-le.

Lamedatest punktidest tegeliku kujuni 🖖

See labor muudab lameda Lewise diagrammi ruumiliseks kujuks, mille molekul tegelikult võtab. Retsept on puhas loendamine: liida kesksele aatomile seotud aatomid selle vabadele elektronipaaridele, et saada steeriline arv, ja see üksainus arv ennustab geomeetria. Nähtamatud vabad elektronipaarid loevad sama palju kui nähtavad aatomid — metaanil (CH₄) ja ammoniaagil (NH₃) on mõlemal steeriline arv 4, kuid ammoniaak vahetab ühe sideme vaba paari vastu, kallutades näiliselt lameda tetraeedri püramiidiks.

Hüpervalentsuse d-orbitaali müüt 🖖

Ehita SF₄ või XeF₄ ja labor teatab sp³d- või sp³d²-hübridisatsioonist — õpikulugu keskaatomist, mis hoiab rohkem kui kaheksat elektroni. Ent arvutuskeemia on selle suuresti ümber lükanud: väävli ja ksenooni d-orbitaalid asuvad energialt liiga kõrgel, et anda arvestatavat panust. Neid hüpervalentseid molekule kirjeldavad paremini kolmetsentrilised neljaelektronilised sidemed ligandide vahel, nii et see korralik sp³d-silt on pigem kasulik õpetuslik väljamõeldis kui füüsikaline tegelikkus.

VSEPR — LOE ELEKTRONPIIRKONNAD KOKKU JA NIMETA SIIS AATOMITE KUJU

Millise kuju su molekul võtab?

VSEPR vajab kahte loendust. Kõigepealt tsentraalaatomi ümbritsevad elektronpiirkonnad — iga side loeb ühe korra, olenemata sellest, mitu paari selles on, ja iga vaba elektronpaar loeb samuti ühe korra — ning see määrab elektronigeomeetria. Seejärel vaata ainult aatomeid: vabad paarid on endiselt olemas ja suruvad edasi, kuid kuju nimetamisel on nad nähtamatud. Kuus juhtumit katavad peaaegu kõik, mida sul palutakse ennustada.

Kaks piirkonda — lineaarne, 180° AX₂ → 180°

Kolm piirkonda, vaba paari pole — tasapinnaline kolmnurkne, 120° AX₃ → 120°

Neli piirkonda, üks vaba paar — kolmnurkne püramidaalne AX₃E → 107.8°

Neli piirkonda, kaks vaba paari — nurgeline AX₂E₂ → 104.5°

Viis piirkonda, üks vaba paar — kiigelaud AX₄E → 173° / 102°

Kuus piirkonda, kaks vaba paari — ruuduline tasapinnaline, 90° AX₄E₂ → 90°

Kaks piirkonda — lineaarne, 180°

Mida sa tead: Tsentraalaatomil kaks elektronpiirkonda ja ühtegi vaba paari. Kaksik- või kolmikside loeb ikkagi ühe piirkonnana.

Piirkonnad: AX₂ → 180°

Näidisarvutus: CO₂: süsinikul on kaks kaksiksidet ja ühtegi vaba paari → 2 piirkonda → lineaarne, O=C=O täpselt 180° all

Ava see juhtum: Süsihappegaas (CO₂)

Kaks piirkonda — lineaarne, 180°. Kaks piirkonda, vabu paare pole: aatomid asuvad keskpunkti läbival sirgel. Tsentraalaatomil kaks elektronpiirkonda ja ühtegi vaba paari. Kaksik- või kolmikside loeb ikkagi ühe piirkonnana. — Kaks piirkonda, vabu paare pole: aatomid asuvad keskpunkti läbival sirgel.

Kolm piirkonda, vaba paari pole — tasapinnaline kolmnurkne, 120°

Mida sa tead: Kolm elektronpiirkonda ja ühtegi vaba paari. Kõik asub lamedalt ühes tasandis.

Piirkonnad: AX₃ → 120°

Näidisarvutus: BF₃: booril on kolm üksiksidet ja ühtegi vaba paari → 3 piirkonda → tasapinnaline kolmnurkne, F–B–F = 120°

Ava see juhtum: Boortrifluoriid (BF₃)

Kolm piirkonda, vaba paari pole — tasapinnaline kolmnurkne, 120°. Kolm siduvat piirkonda ühes tasandis: 120° vahega ja ilma moonutuseta. Kolm elektronpiirkonda ja ühtegi vaba paari. Kõik asub lamedalt ühes tasandis. — Kolm siduvat piirkonda ühes tasandis: 120° vahega ja ilma moonutuseta.

Neli piirkonda, üks vaba paar — kolmnurkne püramidaalne

Mida sa tead: Neli elektronpiirkonda, neist üks vaba paar. Elektronigeomeetria on tetraeedriline; nimetatav kuju arvestab ainult kolme aatomit.

Piirkonnad: AX₃E → 107.8°

Näidisarvutus: NH₃: lämmastikul on kolm sidet pluss üks vaba paar → 4 piirkonda → kolmnurkne püramidaalne, H–N–H = 107,8° 109,5° asemel

Ava see juhtum: Amoniaak (NH₃)

Neli piirkonda, üks vaba paar — kolmnurkne püramidaalne. Tetraeedriline elektronigeomeetria ühe nähtamatu nurgaga: aatomid moodustavad püramiidi. Neli elektronpiirkonda, neist üks vaba paar. Elektronigeomeetria on tetraeedriline; nimetatav kuju arvestab ainult kolme aatomit. — Tetraeedriline elektronigeomeetria ühe nähtamatu nurgaga: aatomid moodustavad püramiidi.

Neli piirkonda, kaks vaba paari — nurgeline

Mida sa tead: Neli elektronpiirkonda kahe vaba paariga. Elektronigeomeetria on endiselt tetraeedriline, kuid külge on seotud vaid kaks aatomit.

Piirkonnad: AX₂E₂ → 104.5°

Näidisarvutus: H₂O: hapnikul on kaks sidet pluss kaks vaba paari → 4 piirkonda → nurgeline, H–O–H = 104,5°

Ava see juhtum: Vesi (H₂O)

Neli piirkonda, kaks vaba paari — nurgeline. Kaks sidet ja kaks vaba paari: aatomid joonistavad nurga, mitte sirge. Neli elektronpiirkonda kahe vaba paariga. Elektronigeomeetria on endiselt tetraeedriline, kuid külge on seotud vaid kaks aatomit. — Kaks sidet ja kaks vaba paari: aatomid joonistavad nurga, mitte sirge.

Viis piirkonda, üks vaba paar — kiigelaud

Mida sa tead: Viis elektronpiirkonda, neist üks vaba paar. Elektronigeomeetria on kolmnurkne bipüramidaalne — esimene, kus on kahte eri sorti kohti.

Piirkonnad: AX₄E → 173° / 102°

Näidisarvutus: SF₄: väävlil on neli sidet pluss üks vaba paar → 5 piirkonda → kiigelaud, aksiaalne F–S–F surutud 173° peale ja ekvatoriaalne paar 102° peale

Ava see juhtum: Vääveltetrafluoriid (SF₄)

Viis piirkonda, üks vaba paar — kiigelaud. Kolmnurkne bipüramiid ekvatoriaalse vaba paariga: aatomid moodustavad kiigelaua. Viis elektronpiirkonda, neist üks vaba paar. Elektronigeomeetria on kolmnurkne bipüramidaalne — esimene, kus on kahte eri sorti kohti. — Kolmnurkne bipüramiid ekvatoriaalse vaba paariga: aatomid moodustavad kiigelaua.

Kuus piirkonda, kaks vaba paari — ruuduline tasapinnaline, 90°

Mida sa tead: Kuus elektronpiirkonda kahe vaba paariga. Elektronigeomeetria on oktaeedriline ja kõik kuus kohta on võrdväärsed.

Piirkonnad: AX₄E₂ → 90°

Näidisarvutus: XeF₄: ksenoonil on neli sidet pluss kaks vaba paari → 6 piirkonda → ruuduline tasapinnaline, F–Xe–F = 90°

Ava see juhtum: Ksenoonntetrafluoriid (XeF₄)

Kuus piirkonda, kaks vaba paari — ruuduline tasapinnaline, 90°. Oktaeedriline elektronigeomeetria vastastikuste vabade paaridega: aatomid moodustavad lameda ruudu. Kuus elektronpiirkonda kahe vaba paariga. Elektronigeomeetria on oktaeedriline ja kõik kuus kohta on võrdväärsed. — Oktaeedriline elektronigeomeetria vastastikuste vabade paaridega: aatomid moodustavad lameda ruudu.

Allikad (2)

Insight block 3 — the calculation that took the d orbitals away: E. Magnusson, "Hypercoordinate molecules of second-row elements: d functions or d orbitals?" Journal of the American Chemical Society 112(22), 7940–7951, 1990.
And the model the tool actually applies: R. J. Gillespie and R. S. Nyholm, "Inorganic stereochemistry." Quarterly Reviews, Chemical Society 11(4), 339–380, 1957 — where VSEPR was set out, including lone pairs occupying more space than bonding pairs.

Ülesanne täielikult lahendatud

Vesi koostatuna selle elektronide arvust ja 104,5° sidemenurgast 5 sammu
Konstrueerige vesi üksnes selle elektronide arvu põhjal: steriiline arv, formaalne laeng, kuju ja sidemenurk. Seejärel selgitage, miks nurk on 104,5°, mitte 109,5°, nagu kuju ette näeb.
1. Loendage valentselektronid ja rühmitage need paaridesse. Hapnik annab kuus, kumbki vesinik ühe ning kaheksa elektronit moodustavad neli paari.
  
  $valence = 6 (O) + 2 \times 1 (H) = 8 e^{-} = 4 pairs$
2. Kaks paari moodustavad sidemeid, seega ülejäänud on vabad elektronpaarid. Steriiline arv loendab mõlemat tüüpi, sest mõlemad võtavad ruumi — see ongi ainus mõte, mida VSEPR sisaldab.
  
  $bonding pairs = 2 \Rightarrow lone pairs = 4 - 2 = 2 \Rightarrow SN = 2 + 2 = 4 (A X_{2} E_{2})$
3. Formaalne laeng kontrollib, kas struktuur on mõistlik: valentselektronid miinus vabade paaride elektronid miinus pool siduvatest elektronidest. Null tähendab, et paremat paigutust ei leidu.
  
  $FC = V - N - \frac{1}{2} B = 6 - 4 - \frac{1}{2} (4) = 0$
4. Steriiline arv 4 tähendab, et neli paari paigutuvad tetraeedriliselt, mis annaks sidemenurgaks 109,5°, kui kõik neli oleksid ühesugused. Need ei ole seda, ning kokkusurumine sõltub vabade elektronpaaride arvust.
  
  $SN = 4 \Rightarrow tetrahedral 109. 5^{\circ}; C H_{4} 109. 5^{\circ} \to N H_{3} 10 7^{\circ} \to H_{2} O 104. 5^{\circ}$
5. Tulemuseks on dipool. Kaks O–H sidememomenti 104,5° nurga all liituvad vektoriaalselt tulemuseks 1,85 D; sirgendage molekul 180°-ni ja need taandavad teineteist täielikult.
  
  $μ = 2 μ_{OH} cos \frac{104. 5 ^{\circ}}{2} = 2 (1.51) (0.611) = 1.85 D; 18 0^{\circ} \Rightarrow μ = 0$
Vastus

AX₂E₂, steriiline arv 4, formaalne laeng 0, nurkne (104,5°). Selle 5° puudujäägi põhjustavad vabad elektronpaarid: need kuuluvad ühele aatomituumale, mitte ei jagune kahe vahel, mistõttu need laotuvad laiemalt ja suruvad siduvad elektronpaarid kokku — umbes 2,5° vaba elektronpaari kohta, mistõttu jada on metaanil 109,5°, ammoniaagil 107° ja veel 104,5°. See jääknurksus ei ole pelk detail. Kahe identse sidemega lineaarsel molekulil puudub summaarne dipoolmoment; vee 104,5° nurk annab selle dipoolmomendiks 1,85 D ning praktiliselt kõik, mida vesi lahustina teeb — soolade lahustamine, vesiniksidemete moodustamine, keemine 160 K kõrgemal raskemast H₂S-ist, kui rühmatrendi kohaselt peaks see keema madalamal —, tuleneb neist viiest kraadist.

$A X_{2} E_{2}, SN = 4, FC = 0, bent at 104. 5^{\circ}$

42Mathi meeskond · Uuendatud 2026-07-27

Kontrollitud avaldatud allikate põhjal. Parandused on teretulnud. Toimetamispõhimõtted · Parandused

Kõik Bio, geo ja keemia õppetunnid →