Näidisküsimused molekulaarsete kujundite kohta
Pengantar
Keemia uurib aine käitumist ja selles toimuvaid muutusi. Üks oluline keemia mõiste on molekulaarse kuju mõistmine. Molekulaarne kuju mõjutab ühendite füüsikalisi ja keemilisi omadusi, nagu sulamistemperatuur, keemistemperatuur ja aururõhk. Molekulaarne kuju mängib olulist rolli ka nendes ühendites toimuvate keemiliste reaktsioonide määramisel. Molekulaarse kuju selgitamiseks kasutatav enimkasutatav teooria on VSEPR (valentskesta elektronpaaride tõukumise) teooria. Selles artiklis käsitleme mitmeid molekulaarse kujuga seotud näidisprobleeme ja seda, kuidas VSEPR-teooriat saab nende lahendamiseks rakendada.
VSEPR-teooria
VSEPR-teooria on teooria, mida kasutatakse molekulide kuju määramiseks, tuginedes elektronpaaride tõukumisele keskse aatomi ümber. Selle teooria kohaselt paigutuvad elektronpaarid nii, et nendevaheline tõukumine on minimaalne. See põhjustab molekuli spetsiifilise, ennustatava kuju omandamist. Nende elektronpaaride hulka kuuluvad siduvad elektronpaarid (BEP) ja üksikud elektronpaarid (LOP).
Mõned toodetud molekulaarsed vormid on tavaliselt:
1. Lineaarne
2. Kolmnurkne tasapind
3. Tetraeedriline
4. Trigonaalne bipüramiid
5. Oktaeedriline
6. Painutatud (painutatud)
7. nägemispuur
8. T-kujuline
9. Ruudukujuline tasapind
10. Ruudukujuline püramiid
Järgmisena vaatame mõningaid näidisküsimusi ja nende arutelusid.
Näidisküsimus 1: CH4 molekulide kuju määramine
Küsimus:
Määrake metaani (CH4) molekulaarkuju VSEPR-teooria abil.
Arutelu:
1. Määrake Lewise struktuur:
– Keskne aatom: C (süsinik)
– Süsinikul on 4 valentselektroni.
– Igal vesinikul on 1 valentselektron.
– Valentselektronide koguarv = 4 (C) + 4 x 1 (H) = 8 valentselektroni.
CH4 Lewise struktuuris on keskel süsinikuaatom, mille juures neli vesinikuaatomit moodustavad süsinikuaatomiga üksiksidemeid (sigma-sidemeid). Süsinikuaatomil ei ole ühtegi üksikut elektronpaari.
2. Elektronpaaride loendamine:
– PEI: Seal on 4 sidet, mis kõik on siduvad elektronpaarid.
– PEB: Üksikuid elektronpaare pole olemas.
3. Molekulaarsete kujude tuvastamine:
– Kui PEI-sid on kokku 4 ja PEB-sid 0, võtab elektronide jaotus keskse aatomi ümber kuju, mis minimeerib tõukumist.
– Kõige kaugema levikuga vorm on tetraeedriline.
Seega on CH4 molekuli kuju tetraeedriline, sideme nurgaga umbes 109.5 kraadi.
Näidisküsimus 2: NH3 molekulaarkuju määramine
Küsimus:
Määrake ammoniaagi (NH3) molekulaarkuju VSEPR-teooria abil.
Arutelu:
1. Määrake Lewise struktuur:
– Keskne aatom: N (lämmastik).
– Lämmastikul on 5 valentselektroni.
– Igal vesinikul on 1 valentselektron.
– Valentselektronide koguarv = 5 (N) + 3 x 1 (H) = 8 valentselektroni.
NH3 Lewise struktuuris on keskel lämmastik, mille kolm vesinikuaatomit moodustavad lämmastikuaatomiga üksiksidemeid (sigma-sidemeid) ja lämmastikuaatomil on üks vaba elektronpaar.
2. Elektronpaaride loendamine:
– PEI: Seal on 3 sidet, mis kõik on siduvad elektronpaarid.
– PEB: Seal on 1 üksik elektronpaar.
3. Molekulaarsete kujude tuvastamine:
– Kui PEI-sid on kokku 3 ja PEB-sid 1, võtab elektronide jaotus keskse aatomi ümber kuju, mis minimeerib tõukumist.
– Sobiva jaotusega kuju on kolmnurkne püramiid.
Seega on NH3 molekuli kuju trigonaalne püramiidja kujuga, mille sideme nurk on tugevama üksiku elektronpaari tõukumise tõttu veidi alla 109.5 kraadi.
Näidisküsimus 3: H2O molekulide kuju määramine
Küsimus:
Määrake veemolekuli (H2O) kuju VSEPR-teooria abil.
Arutelu:
1. Määrake Lewise struktuur:
– Keskne aatom: O (hapnik).
– Hapnikul on 6 valentselektroni.
– Igal vesinikul on 1 valentselektron.
– Valentselektronide koguarv = 6 (O) + 2 x 1 (H) = 8 valentselektroni.
H2O Lewise struktuuris on hapnik keskel, kaks vesinikuaatomit moodustavad hapnikuaatomiga üksiksidemeid (sigma-sidemeid) ja hapnikuaatomil on kaks üksikut elektronpaari.
2. Elektronpaaride loendamine:
– PEI: Seal on 2 sidet, mis kõik on siduvad elektronpaarid.
– PEB: Seal on 2 üksik elektronpaar.
3. Molekulaarsete kujude tuvastamine:
– Kui PEI-sid on kokku 2 ja PEB-sid 2, võtab elektronide jaotus keskse aatomi ümber kuju, mis minimeerib tõukumist.
– Sobiva jaotusega kuju on painutatud.
Seega on H2O molekuli kuju painutatud umbes 104.5 kraadise sidemenurgaga.
Näidisküsimus 4: PCl5 molekulaarkuju määramine
Küsimus:
Määrake fosforpentakloriidi (PCl5) molekulaarkuju, kasutades VSEPR-teooriat.
Arutelu:
1. Määrake Lewise struktuur:
– Keskne aatom: P (fosfor).
– Fosforil on 5 valentselektroni.
– Igal klooril on 7 valentselektroni.
– Valentselektronide koguarv = 5 (P) + 5 x 7 (Cl) = 40 valentselektroni.
PCl5 Lewise struktuuris on fosfor keskel ja viis kloori aatomit moodustavad fosfori aatomiga üksiksidemeid (sigma-sidemeid). Fosforil puuduvad üksikud elektronpaarid.
2. Elektronpaaride loendamine:
– PEI: Seal on 5 sidet, mis kõik on siduvad elektronpaarid.
– PEB: Üksikuid elektronpaare pole olemas.
3. Molekulaarsete kujude tuvastamine:
– Kui PEI-sid on kokku 5 ja PEB-sid 0, võtab elektronide jaotus keskse aatomi ümber kuju, mis minimeerib tõukumist.
– Sobiva jaotusega kuju on trigonaalne bipüramiid.
Seega on PCl5 molekuli kuju trigonaalne bipüramiidne, mille sidemenurgad on 90° ja 120°.
Näidisküsimus 5: SF6 molekulide kuju määramine
Küsimus:
Määrake väävelheksafluoriidi (SF6) molekulaarkuju VSEPR-teooria abil.
Arutelu:
1. Määrake Lewise struktuur:
– Keskne aatom: S (väävel).
– Väävel on 6 valentselektroni.
– Igal fluoril on 7 valentselektroni.
– Valentselektronide koguarv = 6 (S) + 6 x 7 (F) = 48 valentselektroni.
SF6 Lewise struktuuris on keskel väävel, mille keskel on kuus fluori aatomit, mis moodustavad väävliaatomiga üksiksidemeid (sigma-sidemeid). Väävlil ei ole ühtegi üksikut elektronpaari.
2. Elektronpaaride loendamine:
– PEI: Seal on 6 sidet, mis kõik on siduvad elektronpaarid.
– PEB: Üksikuid elektronpaare pole olemas.
3. Molekulaarsete kujude tuvastamine:
– Kui PEI-sid on kokku 6 ja PEB-sid 0, võtab elektronide jaotus keskse aatomi ümber kuju, mis minimeerib tõukumist.
– Sobiva jaotusega kujund on oktaeedriline.
Seega on SF6 molekuli kuju oktaeedriline, mille sidemenurk on 90°.
Järeldus
Molekulaarkuju mõistmine on võtmetähtsusega ühendi paljude keemiliste ja füüsikaliste omaduste selgitamisel. VSEPR-teooria pakub tõhusat viisi selle geomeetria ennustamiseks sidemete ja üksikute paaride arvutuste põhjal. Igas käsitletud näites hõlmab protsess Lewise struktuuri määramist, elektronpaaride arvutamist ja lõpuks kõige sobivama molekulaarkuju tuvastamist. Regulaarse harjutamisega saab igaüks VSEPR-teooria abil molekulaarkuju määramise oskuslikuks.
