Príklady otázok týkajúcich sa tvarov molekúl
Pengantar
Chémia je štúdium správania sa hmoty a zmien, ktorými prechádza. Jedným z dôležitých konceptov v chémii je pochopenie tvaru molekuly. Tvar molekuly ovplyvňuje fyzikálne a chemické vlastnosti zlúčenín, ako je bod topenia, bod varu a tlak pár. Tvar molekuly tiež zohráva kľúčovú úlohu pri určovaní chemických reakcií, ktoré v týchto zlúčeninách prebiehajú. Najbežnejšie používanou teóriou na vysvetlenie tvaru molekuly je teória VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion). V tomto článku si rozoberieme niekoľko príkladov problémov týkajúcich sa tvaru molekuly a to, ako možno teóriu VSEPR aplikovať na ich riešenie.
Teória VSEPR
Teória VSEPR je teória používaná na určenie tvaru molekúl na základe odpudzovania elektrónových párov okolo centrálneho atómu. Podľa tejto teórie sa elektrónové páry usporiadajú tak, aby sa odpudzovanie medzi nimi minimalizovalo. To spôsobí, že molekula nadobudne špecifický, predvídateľný tvar. Tieto elektrónové páry zahŕňajú väzbové elektrónové páry (BEP) a neviazané elektrónové páry (LOP).
Niektoré z produkovaných molekulárnych foriem sú zvyčajne:
1. Lineárne
2. Trigonálna rovina
3. Tetraedrický
4. Trigonálna bipyramidálna
5. Oktaedrický
6. Ohnutý (ohnutý)
7. Hojdačka
8. Tvar v tvare T
9. Štvorcový rovinný
10. Štvorcový pyramídový
Ďalej sa pozrime na niekoľko príkladov otázok a ich diskusií.
Príklad otázky 1: Určenie tvaru molekúl CH4
Otázka:
Určte molekulárny tvar metánu (CH4) pomocou teórie VSEPR.
Diskusia:
1. Určte Lewisovu štruktúru:
– Centrálny atóm: C (uhlík)
– Uhlík má 4 valenčné elektróny.
– Každý vodík má 1 valenčný elektrón.
– Celkový počet valenčných elektrónov = 4 (C) + 4 x 1 (H) = 8 valenčných elektrónov.
Lewisova štruktúra CH4 ukazuje uhlík v strede so štyrmi atómami vodíka, ktoré tvoria jednoduché (sigma) väzby s atómom uhlíka. Na atóme uhlíka nie sú žiadne voľné elektrónové páry.
2. Počítanie elektrónových párov:
– PEI: Existujú 4 väzby, pričom všetky sú väzbové elektrónové páry.
– PEB: Neexistujú žiadne voľné elektrónové páry.
3. Identifikácia molekulárnych tvarov:
– Pri celkovom počte 4 PEI a 0 PEB bude mať rozloženie elektrónov okolo centrálneho atómu tvar, ktorý minimalizuje odpudzovanie.
– Forma s najväčším rozšírením je tetraedrická.
Tvar molekuly CH4 je teda tetraedrický s väzbovým uhlom približne 109.5 stupňov.
Príklad otázky 2: Určenie molekulárneho tvaru NH3
Otázka:
Určte molekulárny tvar amoniaku (NH3) pomocou teórie VSEPR.
Diskusia:
1. Určte Lewisovu štruktúru:
– Centrálny atóm: N (dusík).
– Dusík má 5 valenčných elektrónov.
– Každý vodík má 1 valenčný elektrón.
– Celkový počet valenčných elektrónov = 5 (N) + 3 x 1 (H) = 8 valenčných elektrónov.
Lewisova štruktúra NH3 ukazuje dusík v strede s tromi atómami vodíka, ktoré tvoria jednoduché (sigma) väzby s atómom dusíka a jeden voľný elektrónový pár na dusíku.
2. Počítanie elektrónových párov:
– PEI: Existujú 3 väzby, pričom všetky sú väzbové elektrónové páry.
– PEB: Existuje 1 voľný elektrónový pár.
3. Identifikácia molekulárnych tvarov:
– Pri celkovom počte 3 PEI a 1 PEB bude mať rozloženie elektrónov okolo centrálneho atómu tvar, ktorý minimalizuje odpudzovanie.
– Tvar s príslušným rozložením je trigonálny pyramídový tvar.
Tvar molekuly NH3 je teda trigonálny pyramídový s väzbovým uhlom o niečo menším ako 109.5 stupňov v dôsledku odpudzovania od silnejšieho voľného elektrónového páru.
Príklad otázky 3: Určenie tvaru molekúl H2O
Otázka:
Určte tvar molekuly vody (H2O) pomocou teórie VSEPR.
Diskusia:
1. Určte Lewisovu štruktúru:
– Centrálny atóm: O (kyslík).
– Kyslík má 6 valenčných elektrónov.
– Každý vodík má 1 valenčný elektrón.
– Celkový počet valenčných elektrónov = 6 (O) + 2 x 1 (H) = 8 valenčných elektrónov.
Lewisova štruktúra H2O ukazuje kyslík v strede s dvoma atómami vodíka tvoriacimi jednoduché (sigma) väzby s atómom kyslíka a dvoma voľnými elektrónovými pármi na kyslíku.
2. Počítanie elektrónových párov:
– PEI: Existujú 2 väzby, pričom všetky sú väzbové elektrónové páry.
– PEB: Existuje 2 voľný elektrónový pár.
3. Identifikácia molekulárnych tvarov:
– Pri celkovom počte 2 PEI a 2 PEB bude mať rozloženie elektrónov okolo centrálneho atómu tvar, ktorý minimalizuje odpudzovanie.
– Tvar s príslušným rozložením je ohnutý.
Tvar molekuly H2O je teda ohnutý s uhlom väzby približne 104.5 stupňa.
Príklad otázky 4: Stanovenie molekulárneho tvaru PCl5
Otázka:
Určte molekulárny tvar chloridu fosforečného (PCl5) pomocou teórie VSEPR.
Diskusia:
1. Určte Lewisovu štruktúru:
– Centrálny atóm: P (fosfor).
– Fosfor má 5 valenčných elektrónov.
– Chlór má každý 7 valenčných elektrónov.
– Celkový počet valenčných elektrónov = 5 (P) + 5 x 7 (Cl) = 40 valenčných elektrónov.
Lewisova štruktúra PCl5 ukazuje fosfor v strede s piatimi atómami chlóru, ktoré tvoria jednoduché (sigma) väzby s atómom fosforu. Na fosfore nie sú žiadne voľné elektrónové páry.
2. Počítanie elektrónových párov:
– PEI: Existujú 5 väzby, pričom všetky sú väzbové elektrónové páry.
– PEB: Neexistujú žiadne voľné elektrónové páry.
3. Identifikácia molekulárnych tvarov:
– Pri celkovom počte 5 PEI a 0 PEB bude mať rozloženie elektrónov okolo centrálneho atómu tvar, ktorý minimalizuje odpudzovanie.
– Tvar s príslušným rozdelením je trigonálny bipyramidálny tvar.
Tvar molekuly PCl5 je teda trigonálny bipyramidálny s väzbovými uhlami 90° a 120°.
Príklad otázky 5: Určenie tvaru molekúl SF6
Otázka:
Určte molekulárny tvar fluoridu sírového (SF6) pomocou teórie VSEPR.
Diskusia:
1. Určte Lewisovu štruktúru:
– Centrálny atóm: S (síra).
– Síra má 6 valenčných elektrónov.
– Fluór má každý 7 valenčných elektrónov.
– Celkový počet valenčných elektrónov = 6 (S) + 6 x 7 (F) = 48 valenčných elektrónov.
Lewisova štruktúra SF6 ukazuje síru v strede so šiestimi atómami fluóru, ktoré tvoria jednoduché (sigma) väzby s atómom síry. Na síre nie sú žiadne voľné elektrónové páry.
2. Počítanie elektrónových párov:
– PEI: Existujú 6 väzby, pričom všetky sú väzbové elektrónové páry.
– PEB: Neexistujú žiadne voľné elektrónové páry.
3. Identifikácia molekulárnych tvarov:
– Pri celkovom počte 6 PEI a 0 PEB bude mať rozloženie elektrónov okolo centrálneho atómu tvar, ktorý minimalizuje odpudzovanie.
– Tvar s príslušným rozložením je oktaedrický.
Tvar molekuly SF6 je teda oktaedrický s väzbovým uhlom 90°.
Záver
Pochopenie tvaru molekuly je kľúčom k vysvetleniu mnohých chemických a fyzikálnych vlastností zlúčeniny. Teória VSEPR poskytuje efektívny spôsob predpovedania jej geometrie na základe výpočtov väzobných a voľných párov. V každom z diskutovaných príkladov proces zahŕňa určenie Lewisovej štruktúry, výpočet elektrónových párov a nakoniec identifikáciu najvhodnejšieho tvaru molekuly. Pravidelnou praxou sa môže ktokoľvek stať zručným v používaní teórie VSEPR na určenie tvaru molekuly.
