שאלות לדוגמה הדנות בצורות מולקולריות

שאלות לדוגמה הדנות בצורות מולקולריות

פנגנטר

כימיה היא חקר התנהגות החומר והשינויים שהוא עובר. מושג חשוב בכימיה הוא הבנת צורת המולקולות. צורת המולקולות משפיעה על התכונות הפיזיקליות והכימיות של תרכובות, כגון נקודת התכה, נקודת רתיחה ולחץ אדים. צורת המולקולות ממלאת גם תפקיד מכריע בקביעת התגובות הכימיות המתרחשות בתרכובות אלו. התאוריה הנפוצה ביותר להסבר צורת המולקולות היא תיאוריית VSEPR (דחיית זוגות אלקטרונים בקליפה הערכית). במאמר זה, נדון במספר בעיות לדוגמה הכרוכות בצורת מולקולות וכיצד ניתן ליישם את תיאוריית VSEPR כדי לפתור אותן.

תיאוריית VSEPR

תיאוריית VSEPR היא תיאוריה המשמשת לקביעת צורתן של מולקולות על סמך דחיית זוגות האלקטרונים סביב האטום המרכזי. על פי תיאוריה זו, זוגות האלקטרונים יסדרו את עצמם באופן כזה שהדחייה ביניהם תמוזער. זה גורם למולקולה לקבל צורה ספציפית וצפויה. זוגות אלקטרונים אלה כוללים זוגות אלקטרונים קשורים (BEPs) וזוגות אלקטרונים בודדים (LOPs).

חלק מהצורות המולקולריות המיוצרות הן בדרך כלל:

1. לינארית
2. טריגונלי פלנר
3. טטרהדרלי
4. טריגונלי ביפירמידלי
5. אוקטהדרל
6. כפוף (כפוף)
7. נדנדה
8. בצורת T
9. מישורי מרובע
10. פירמידלי מרובע

לאחר מכן, בואו נבחן כמה שאלות לדוגמה והדיון בהן.

שאלה לדוגמה 1: קביעת צורתן של מולקולות CH4

שְׁאֵלָה:
קבע את הצורה המולקולרית של מתאן (CH4) באמצעות תורת VSEPR.

דִיוּן:

1. קבע את מבנה לואיס:
– אטום מרכזי: C (פחמן)
- לפחמן יש 4 אלקטרונים ערכיים.
- לכל אחד מימן יש אלקטרון ערכיות אחד.
– סה"כ אלקטרונים ערכיים = 4 (C) + 4 x 1 (H) = 8 אלקטרונים ערכיים.

מבנה לואיס של CH4 מציג פחמן במרכזו עם ארבעה אטומי מימן היוצרים קשרים בודדים (סיגמא) לאטום הפחמן. אין זוגות אלקטרונים בודדים על אטום הפחמן.

2. ספירת זוגות אלקטרונים:
– PEI: ישנם 4 קשרים, כולם זוגות אלקטרונים מקשרים.
– PEB: אין זוגות אלקטרונים בודדים.

3. זיהוי צורות מולקולריות:
– עם סך של 4 PEI ו-0 PEB, פיזור האלקטרונים סביב האטום המרכזי יקבל צורה שתמזער דחייה.
– הצורה בעלת התפוצה הרחוקה ביותר היא טטרהדרלית.

אז, צורת מולקולת CH4 היא טטרהדרלית עם זווית קשר של כ-109.5 מעלות.

שאלה לדוגמה 2: קביעת הצורה המולקולרית של NH3

שְׁאֵלָה:
קבע את הצורה המולקולרית של אמוניה (NH3) באמצעות תורת VSEPR.

דִיוּן:

1. קבע את מבנה לואיס:
– אטום מרכזי: N (חנקן).
- לחנקן יש 5 אלקטרונים ערכיים.
- לכל אחד מימן יש אלקטרון ערכיות אחד.
– סה"כ אלקטרונים ערכיים = 5 (N) + 3 x 1 (H) = 8 אלקטרונים ערכיים.

מבנה לואיס של NH3 מציג חנקן במרכז עם שלושה אטומי מימן היוצרים קשרים בודדים (סיגמא) עם אטום החנקן וזוג אלקטרונים בודד על החנקן.

2. ספירת זוגות אלקטרונים:
– PEI: ישנם 3 קשרים, שכולם זוגות אלקטרונים מקשרים.
– PEB: יש זוג אלקטרונים בודד אחד.

3. זיהוי צורות מולקולריות:
– עם סך של 3 PEI ו-1 PEB, פיזור האלקטרונים סביב האטום המרכזי יקבל צורה שתמזער דחייה.
– הצורה עם ההתפלגות המתאימה היא טריגונלית פירמידלית.

אז, צורת מולקולת NH3 היא טריגונלית פירמידלית עם זווית קשר מעט פחות מ-109.5 מעלות עקב הדחייה מזוג האלקטרונים הבודד החזק יותר.

שאלה לדוגמה 3: קביעת צורתן של מולקולות H2O

שְׁאֵלָה:
קבע את צורת מולקולת המים (H2O) באמצעות תורת VSEPR.

דִיוּן:

1. קבע את מבנה לואיס:
– אטום מרכזי: O (חמצן).
- לחמצן יש 6 אלקטרונים ערכיים.
- לכל אחד מימן יש אלקטרון ערכיות אחד.
– סה"כ אלקטרונים ערכיים = 6 (O) + 2 x 1 (H) = 8 אלקטרונים ערכיים.

מבנה לואיס של H2O מציג חמצן במרכז עם שני אטומי מימן היוצרים קשרים בודדים (סיגמא) עם אטום החמצן ושני זוגות אלקטרונים בודדים על אטום החמצן.

2. ספירת זוגות אלקטרונים:
– PEI: ישנם 2 קשרים, שכולם זוגות אלקטרונים מקשרים.
– PEB: יש זוג אלקטרונים בודד אחד.

3. זיהוי צורות מולקולריות:
– עם סך של 2 PEI ו-2 PEB, פיזור האלקטרונים סביב האטום המרכזי יקבל צורה שתמזער דחייה.
– הצורה עם ההתפלגות המתאימה היא כפופה.

אז, צורת מולקולת ה-H2O כפופה בזווית קשר של כ-104.5 מעלות.

שאלה לדוגמה 4: קביעת הצורה המולקולרית של PCl5

שְׁאֵלָה:
קבע את הצורה המולקולרית של זרחן פנטכלוריד (PCl5) באמצעות תורת VSEPR.

דִיוּן:

1. קבע את מבנה לואיס:
– אטום מרכזי: P (זרחן).
- לזרחן יש 5 אלקטרונים ערכיים.
- לכלור יש 7 אלקטרונים ערכיים.
– סך אלקטרונים ערכיים = 5 (P) + 5 x 7 (Cl) = 40 אלקטרונים ערכיים.

מבנה לואיס של PCl5 מציג זרחן במרכז עם חמישה אטומי כלור היוצרים קשרים בודדים (סיגמא) עם אטום הזרחן. אין זוגות אלקטרונים בודדים על הזרחן.

2. ספירת זוגות אלקטרונים:
– PEI: ישנם 5 קשרים, שכולם זוגות אלקטרונים מקשרים.
– PEB: אין זוגות אלקטרונים בודדים.

3. זיהוי צורות מולקולריות:
– עם סך של 5 PEI ו-0 PEB, פיזור האלקטרונים סביב האטום המרכזי יקבל צורה שתמזער דחייה.
– הצורה עם ההתפלגות המתאימה היא טריגונלית ביפירמידלית.

אז, צורת מולקולת PCl5 היא טריגונלית ביפירמידלית עם זוויות קשר של 90° ו-120°.

שאלה לדוגמה 5: קביעת צורתן של מולקולות SF6

שְׁאֵלָה:
קבע את הצורה המולקולרית של גופרית הקספלואוריד (SF6) באמצעות תורת VSEPR.

דִיוּן:

1. קבע את מבנה לואיס:
– אטום מרכזי: S (גופרית).
- לגופרית יש 6 אלקטרונים ערכיים.
- לכל אחד מפלואור יש 7 אלקטרונים ערכיים.
– סה"כ אלקטרונים ערכיים = 6 (S) + 6 x 7 (F) = 48 אלקטרונים ערכיים.

מבנה לואיס של SF6 מציג גופרית במרכז עם שישה אטומי פלואור היוצרים קשרים בודדים (סיגמא) עם אטום הגופרית. אין זוגות אלקטרונים בודדים על הגופרית.

2. ספירת זוגות אלקטרונים:
– PEI: ישנם 6 קשרים, שכולם זוגות אלקטרונים מקשרים.
– PEB: אין זוגות אלקטרונים בודדים.

3. זיהוי צורות מולקולריות:
– עם סך של 6 PEI ו-0 PEB, פיזור האלקטרונים סביב האטום המרכזי יקבל צורה שתמזער דחייה.
– הצורה עם ההתפלגות המתאימה היא אוקטהדרלית.

אז, צורת מולקולת SF6 היא אוקטהדרלית עם זווית קשר של 90 מעלות.

מסקנה

הבנת הצורה המולקולרית היא המפתח להסבר תכונות כימיות ופיזיקליות רבות של תרכובת. תורת VSEPR מספקת דרך יעילה לחזות את הגיאומטריה שלה על סמך חישובי קשרים וזוגות בודדים. בכל אחת מהדוגמאות שנדונו, התהליך כרוך בקביעת מבנה לואיס, חישוב זוגות האלקטרונים ולבסוף זיהוי הצורה המולקולרית המתאימה ביותר. עם תרגול קבוע, כל אחד יכול להיות מיומן בשימוש בתורת VSEPR כדי לקבוע צורה מולקולרית.