7.6 Sameindabygging og skautun

Sameindabygging og skautun

Námsmarkmið

Þegar þú hefur lokið við þennan kafla getur þú:

Spáð fyrir um byggingu lítilla sameinda með VSEPR-kenningunni (kenningunni um fráhrindingu rafeindapara í gildishvolfi)
Útskýrt hugtökin skautuð samgild tengi og skautun sameinda
Metur skautun sameindar út frá efnatengjum hennar og byggingu

Hingað til höfum við notað tvívíðar Lewis myndir til að tákna sameindir. Sameindabygging er hins vegar í raun þrívíð og það er mikilvægt að geta lýst efnatengjum sameinda með tilliti til lengdar þeirra, horna og hlutfallslegrar staðsetningar í rúmi (Mynd 7.14). Tengishorn (e. bond angle) er hornið milli tveggja efnatengja sem deila sameiginlegri frumeind, yfirleitt mælt í gráðum. Tengifjarlægð (e. bond distance) (eða tengilengd) er fjarlægðin milli kjarna tveggja tengdra frumeinda eftir beinni línu sem tengir kjarnana. Tengifjarlægðir eru mældar í ångströmum (1 Å = 10^–10 m) eða píkómetrum (1 pm = 10^–12 m, 100 pm = 1 Å).

A pair of images are shown. The left image shows a carbon atom with three atoms bonded in a triangular arrangement around it. There are two hydrogen atoms bonded on the left side of the carbon and the angle between them is labeled, “118 degrees” and, “Bond angle.” The carbon is also double bonded to an oxygen atom. The double bond is shaded and there is a bracket which labels the bond, “Bond length ( angstrom ), ( center to center ),” and, “1.21 angstrom.” The right image shows a ball-and-stick model of the same elements. The hydrogen atoms are white, the carbon atom is black, and the oxygen atom is red. — Mynd 7.14 Tengifjarlægðir (lengdir) og horn eru sýnd fyrir formaldehýðsameindina, H₂CO.

VSEPR-kenningin

Lögun rafeindapara samanborið við sameindabyggingu

Það er mikilvægt að hafa í huga að lögun rafeindapara í kringum miðfrumeind er ekki það sama og sameindabygging hennar. Lögun rafeindapara sem sýnd er í Mynd 7.25 lýsir öllum svæðum þar sem rafeindir eru staðsettar, bæði í efnatengjum og sem stök rafeindapör. Sameindabygging lýsir staðsetningu frumeindanna, ekki rafeindanna.

Við greinum á milli þessara tveggja aðstæðna með því að nefna lögunina sem inniheldur öll rafeindapör lögun rafeindapara (e. electron-pair geometry). Byggingin sem aðeins tekur til staðsetningar frumeindanna í sameindinni er kölluð sameindabygging (e. molecular structure). Lögun rafeindapara verður sú sama og sameindabyggingin þegar engin stök rafeindapör eru í kringum miðfrumeindina, en þær verða ólíkar þegar stök rafeindapör eru á miðfrumeindinni.

Til dæmis hefur metansameindin, CH₄, sem er aðalefnið í jarðgasi, fjögur bindandi rafeindapör í kringum miðlæga kolefnisfrumeind; lögun rafeindaparanna er ferflötungur, eins og sameindabyggingin (Mynd 7.15). Aftur á móti hefur ammóníaksameindin, NH₃, einnig fjögur rafeindapör tengd niturfrumeindinni og hefur því ferflötungslögun rafeindapara. Eitt þessara svæða er hins vegar stakt rafeindapar, sem er ekki hluti af sameindabyggingunni, og þetta staka rafeindapar hefur áhrif á lögun sameindarinnar (Mynd 7.16).

A Lewis structure shows a carbon atom single bonded to four hydrogen atoms. This structure uses wedges and dashes to give it a three dimensional appearance. — Mynd 7.15 Sameindabygging metansameindarinnar, CH₄, er sýnd með ferflötungsfyrirkomulagi vetnisfrumeindanna. VSEPR-myndir eins og þessi eru oft teiknaðar með fleyg- og strikamerkingum, þar sem heilar línur tákna efnatengi í plani blaðsins, fylltir fleygar tákna efnatengi sem koma upp úr planinu og strikaðar línur tákna efnatengi sem fara niður í planið.

Three images are shown and labeled, “a,” “b,” and “c.” Image a shows a nitrogen atom single bonded to three hydrogen atoms. There are four oval-shaped orbs that surround each hydrogen and one facing away from the rest of the molecule. These orbs are located in a tetrahedral arrangement. Image b shows a ball-and-stick model of the nitrogen single bonded to the three hydrogen atoms. Image c is the same as image a, but there are four curved, double headed arrows that circle the molecule and are labeled, “106.8 degrees.” — Mynd 7.16 (a) Lögun rafeindapara fyrir ammóníaksameindina er ferflötungur með einu staku rafeindapari og þremur eintengjum. (b) Sameindabyggingin, þríhyrningslaga pýramídi, er ákvörðuð út frá lögun rafeindaparanna. (c) Raunveruleg tengishorn víkja lítillega frá kjörhornum vegna þess að staka rafeindaparið tekur stærra rými en eintengin, sem veldur því að HNH-hornið er örlítið minna en 109,5°.

Eins og sést í Mynd 7.16 geta litlar skekkjur frá kjörhornum í Mynd 7.25 stafað af mismunandi fráhrindingu milli ýmissa svæða rafeindaþéttleika. VSEPR-kenningin spáir fyrir um þessar skekkjur með því að setja upp röðun á fráhrindingu og röðun á stærð rýmis sem mismunandi gerðir rafeindapara taka. Röðun fráhrindingar rafeindapara frá mestu til minnstu fráhrindingar er:

Þessi röðun fráhrindingar ákvarðar stærð rýmisins sem mismunandi svæði rafeinda taka. Stakt rafeindapar tekur stærra rými en rafeindirnar í þrítengi; rafeindir í þrítengi taka síðan meira pláss en þær í tvítengi, og svo framvegis. Stærðarröðin frá stærstu til minnstu er:

Lítum á formaldehýð, H₂CO, sem er notað sem rotvarnarefni fyrir líffræðileg og líffærafræðileg sýni (Mynd 7.14). Þessi sameind hefur svæði með miklum rafeindaþéttleika sem samanstanda af tveimur eintengjum og einu tvítengi. Grunnlögunin er þríhyrningslaga flatt með 120° tengishornum, en við sjáum að tvítengið veldur örlítið stærri hornum (121°) og hornið milli eintengjanna er örlítið minna (118°).

Í ammoníaksameindinni eru vetnisfrumeindirnar þrjár, sem tengdar eru miðlægu niturfrumeindinni, ekki raðaðar í flata, þríhyrningslaga flata sameindabyggingu, heldur í þrívíðan þríhyrningslaga pýramída (Mynd 7.16) með niturfrumeindina á toppnum og vetnisfrumeindirnar þrjár sem mynda grunninn. Kjörhornin í þríhyrningslaga pýramída eru byggð á rafeindapara rúmfræði ferflötungs. Aftur eru smávægileg frávik frá kjörhorninu vegna þess að stök rafeindapör taka stærra rými en rafeindir í efnatengjum. H–N–H tengihornin í NH₃ eru örlítið minni en 109,5° hornið í venjulegum ferflötungi (Mynd 7.25) vegna þess að fráhrindikrafturinn milli staks rafeindapars og tengipars er meiri en fráhrindikrafturinn milli tveggja tengipara (Mynd 7.16). Mynd 7.17 sýnir kjörsameindabyggingar sem spáð er fyrir um á grundvelli rafeindapara rúmfræði fyrir ýmsar samsetningar stakra rafeindapara og tengipara.

A table is shown that is comprised of six rows and six columns. The header row reads: “Number of Electron Regions,” “Electron region geometries; 0 lone pair,” “1 lone pair,” “2 lone pairs,” “3 lone pairs,” and “4 lone pairs.” The first column contains the numbers 2, 3, 4, 5, and 6. The first space in the second column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on each side. The angle of the bonds is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “180 degrees.” The structure is labeled, “Linear.” The second space in the second column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on three sides. The angle between the bonds is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “120 degrees.” The structure is labeled, “Trigonal planar.” The third space in the second column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X four times. The angle between the bonds is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “109 degrees.” The structure is labeled, “Tetrahedral.” The fourth space in the second column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on five sides. The angle between the bonds is labeled with a curved, double headed arrow and the values “90 and 120 degrees.” The structure is labeled, “Trigonal bipyramid.” The fifth space in the second column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on six sides. The angle between the bonds is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “90 degrees.” The structure is labeled, “Octahedral.” The first space in the third column is empty while the second contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on each side and has a lone pair of electrons. The angle between the bonds is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “less than 120 degrees.” The structure is labeled, “Bent or angular.” The third space in the third column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X three times and to a lone pair of electrons. It is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “less than 109 degrees.” The structure is labeled, “Trigonal pyramid.” The fourth space in the third column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on four sides and has a lone pair of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the values, “less than 90 and less than 120 degrees.” The structure is labeled, “Sawhorse or seesaw.” The fifth space in the third column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on five sides and has a lone pair of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “less than 90 degrees.” The structure is labeled, “Square pyramidal.” The first and second spaces in the fourth column are empty while the third contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on each side and has two lone pairs of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “less than less than 109 degrees.” The structure is labeled, “Bent or angular.” The fourth space in the fourth column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X three times and to two lone pairs of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “less than 90 degrees.” The structure is labeled, “T - shape.” The fifth space in the fourth column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on four sides and has two lone pairs of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value “90 degrees.” The structure is labeled, “Square planar.” The first, second and third spaces in the fifth column are empty while the fourth contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on each side and has three lone pairs of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “180 degrees.” The structure is labeled, “Linear.” The fifth space in the fifth column contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X three times and to three lone pairs of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value, “less than 90 degrees.” The structure is labeled, “T - shape.” The first, second, third, and fourth spaces in the sixth column are empty while the fifth contains a structure in which the letter E is single bonded to the letter X on each side and has four lone pairs of electrons. The bond angle is labeled with a curved, double headed arrow and the value “180 degrees.” The structure is labeled, “Linear.” All the structures use wedges and dashes to give them three dimensional appearances. — Mynd 7.17 Sameindabyggingarnar eru eins og rafeindapara rúmfræðin þegar engin stök rafeindapör eru til staðar (fyrsti dálkur). Fyrir tiltekinn fjölda rafeindapara (lína) eru sameindabyggingar fyrir eitt eða fleiri stök rafeindapör ákvarðaðar út frá breytingum á samsvarandi rafeindapara rúmfræði.

Samkvæmt VSEPR-kenningunni eru staðsetningar endastæðra frumeinda (X í Mynd 7.17) jafngildar innan línulegrar, þríhyrningslaga flatrar og ferflötungs rafeindapara rúmfræði (fyrstu þrjár línurnar í töflunni). Það skiptir ekki máli hvaða X er skipt út fyrir stakt rafeindapar því hægt er að snúa sameindunum til að breyta stöðum. Fyrir þríhyrningslaga tvípýramída rafeindapara rúmfræði eru hins vegar tvær aðskildar X-stöður, eins og sýnt er í Mynd 7.18: áslæg staða (e. axial position) (ef við höldum á líkani af þríhyrningslaga tvípýramída við áslægu stöðurnar tvær, höfum við ás sem við getum snúið líkaninu um) og miðbaugslæg staða (e. equatorial position) (þrjár stöður mynda miðbaug um miðju sameindarinnar). Eins og sýnt er í Mynd 7.17 er áslæga staðan umkringd 90° tengihornum, en miðbaugslæga staðan hefur meira pláss tiltækt vegna 120° tengihornanna. Í þríhyrningslaga tvípýramída rafeindapara rúmfræði taka stök rafeindapör alltaf miðbaugslægar stöður því þessar rúmbetri stöður geta auðveldlega rúmað stærri stök rafeindapör.

Fræðilega séð getum við komið með þrjár mögulegar uppraðanir fyrir þrjú efnatengi og tvö stök rafeindapör fyrir ClF₃ sameindina (Mynd 7.18). Stöðuga byggingin er sú sem setur stöku rafeindapörin í miðbaugslægar stöður, sem gefur T-laga sameindabyggingu.

Four sets of images are shown and labeled, “a,” “b,” “c,” and “d.” Each image is separated by a dashed vertical line. Image a shows a six-faced, bi-pyramidal structure where the central vertical axis is labeled, “Axial,” and the horizontal plane is labeled, “Equatorial.” Image b shows a pair of diagrams in the same shape as image a, but in these diagrams, the left has a chlorine atom in the center while the right has a chlorine atom in the center, two fluorine atoms on the upper and lower ends, and one fluorine in the left horizontal position. Image c shows a pair of diagrams in the same shape as image a, but in these diagrams, the left has a chlorine atom in the center while the right has a chlorine atom in the center and three fluorine atoms in each horizontal position. Image d shows a pair of diagrams in the same shape as image a, but in these diagrams, the left has a chlorine atom in the center while the right has a chlorine atom in the center, two fluorine atoms in the horizontal positions, and one in the axial bottom position. — Mynd 7.18 (a) Í þríhyrningslaga tvípýramída eru áslægu stöðurnar tvær staðsettar beint á móti hvor annarri, en miðbaugslægu stöðurnar þrjár eru staðsettar í þríhyrningslaga fyrirkomulagi. (b–d) Stöku rafeindapörin tvö (rauðar línur) í ClF₃ geta haft nokkrar mögulegar uppraðanir, en T-laga sameindabyggingin (b) er sú sem raunverulega sést, í samræmi við að stærri stöku rafeindapörin taka bæði miðbaugslægar stöður.

Þegar miðlæg frumeind hefur tvö stök rafeindapör og fjögur tengisvæði, höfum við áttflötungs rafeindapara rúmfræði. Stöku rafeindapörin tvö eru á gagnstæðum hliðum áttflötungsins (180° á milli), sem gefur ferningslaga flata sameindabyggingu sem lágmarkar fráhrindikrafta milli stakra rafeindapara (Mynd 7.17).

Að spá fyrir um rafeindapara rúmfræði og sameindabyggingu

Eftirfarandi aðferð notar VSEPR-kenninguna til að ákvarða rafeindapara rúmfræði og sameindabyggingar:

Skrifaðu Lewis mynd sameindarinnar eða fjölfrumeinda jónarinnar.
Teldu fjölda svæða með rafeindaþéttleika (stök rafeindapör og efnatengi) í kringum miðlægu frumeindina. Einfalt, tvöfalt eða þrefalt efnatengi telst sem eitt svæði með rafeindaþéttleika.
Greindu rafeindapara rúmfræðina út frá fjölda svæða með rafeindaþéttleika: línuleg, þríhyrningslaga flöt, ferflötungur, þríhyrningslaga tvípýramídi eða áttflötungur (Mynd 7.17, fyrsti dálkur).
Notaðu fjölda stakra rafeindapara til að ákvarða sameindabygginguna (Mynd 7.17). Ef fleiri en ein uppröðun stakra rafeindapara og efnatengja er möguleg, veldu þá sem lágmarkar fráhrindikrafta, og mundu að stök rafeindapör taka meira pláss en fjöltengi, sem taka meira pláss en eintengi. Í þríhyrningslaga tvípýramída uppröðun er fráhrindikraftur lágmarkaður þegar hvert stakt rafeindapar er í miðbaugslægri stöðu. Í áttflötungs uppröðun með tveimur stökum rafeindapörum er fráhrindikraftur lágmarkaður þegar stöku rafeindapörin eru á gagnstæðum hliðum miðlægu frumeindarinnar.

Eftirfarandi dæmi sýna notkun VSEPR-kenningarinnar til að spá fyrir um sameindabyggingu sameinda eða jóna sem hafa engin stök rafeindapör. Í þessu tilfelli er sameindabyggingin eins og rafeindapara rúmfræðin.

Dæmi 7.11

Lausn

Að spá fyrir um rafeindapara rúmfræði og sameindabyggingu: CO<sub>2</sub> og BCl<sub>3</sub>Spáðu fyrir um rafeindapara rúmfræði og sameindabyggingu fyrir hvort tveggja af eftirfarandi:

(a) koldíoxíð, CO₂, sameind sem myndast við bruna jarðefnaeldsneytis

(b) bórtríklóríð, BCl₃, mikilvægt iðnaðarefni

(a) Við skrifum Lewis mynd CO₂ sem:

Þetta sýnir okkur tvö svæði með háum rafeindaþéttleika í kringum kolefnisfrumeindina — hvert tvítengi telst sem eitt svæði og það eru engin stök rafeindapör á kolefnisfrumeindinni. Með því að nota VSEPR-kenninguna spáum við því að svæðin tvö með rafeindaþéttleika raði sér á gagnstæðar hliðar miðjufrumeindarinnar með 180° tengihorn. Rúmfræði rafeindapara og sameindabygging eru eins og CO₂ sameindir eru línulegar.

(b) Við skrifum Lewis mynd af BCl₃ svona:

Þannig sjáum við að BCl₃ inniheldur þrjú efnatengi og það eru engin stök rafeindapör á bór. Fyrirkomulag þriggja svæða með háum rafeindaþéttleika gefur þríhyrningslaga flata rúmfræði rafeindapara. B–Cl efnatengin liggja í plani með 120° horn á milli þeirra. BCl₃ hefur einnig þríhyrningslaga flata sameindabyggingu (Mynd 7.19).

Rúmfræði rafeindapara og sameindabygging BCl₃ eru bæði þríhyrningslaga flöt. Athugið að VSEPR-rúmfræðin gefur til kynna rétt tengihorn (120°), ólíkt Lewis myndinni sem sýnd er hér að ofan.

Kannaðu þekkingu þína

Karbonat, ${{{\text{CO}}}_{3}^{{\text{2−}}},}$ er algeng fjölfrumeinda jón sem finnst í ýmsum efnum, allt frá eggjaskurnum til sýrubindandi lyfja. Hver er rúmfræði rafeindapara og sameindabygging þessarar fjölfrumeinda jónar?

A Lewis structure depicts a boron atom that is single bonded to three chlorine atoms, each of which is oriented in the same flat plane. This figure uses dashes and wedges to give it a three-dimensional appearance.

Dæmi 7.12

Að spá fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu: Ammóníum

Tvö af 50 mest framleiddu efnum í Bandaríkjunum, ammóníumnítrat og ammóníumsúlfat, sem bæði eru notuð sem áburður, innihalda ammóníumjónina. Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}}$ katjónarinnar.

Lausn

Við skrifum Lewis mynd af ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}}$ svona:

Við sjáum að ${{{\text{NH}}}_{4}^{+}}$ inniheldur fjögur efnatengi frá niturfrumeindinni yfir í vetnisfrumeindir og engin stök rafeindapör. Við búumst við að svæðin fjögur með háum rafeindaþéttleika raði sér þannig að þau vísi að hornum ferflötungs með miðlægu niturfrumeindina í miðjunni (Mynd 7.17). Þess vegna er rúmfræði rafeindapara ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}}$ ferflötungur og sameindabyggingin er einnig ferflötungur (Mynd 7.20).

Kannaðu þekkingu þína

Finndu sameind með þríhyrningslaga tvípýramída sameindabyggingu.

A Lewis structure depicts a nitrogen atom that is single bonded to four hydrogen atoms. The structure is surrounded by brackets and has a superscripted positive sign. This figure uses dashes and wedges to displays its three planes in a tetrahedral shape. — Mynd 7.20 Ammóníumjónin sýnir ferflötungs rúmfræði rafeindapara sem og ferflötungs sameindabyggingu.

Næstu dæmi sýna áhrif stakra rafeindapara á sameindabyggingu.

Dæmi 7.13

Að spá fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu: Stök rafeindapör á miðjufrumeindinni

Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu vatnssameindar.

Lausn

Lewis mynd af H₂O gefur til kynna að það séu fjögur svæði með háum rafeindaþéttleika í kringum súrefnisfrumeindina: tvö stök rafeindapör og tvö efnatengi:

Við spáum því að þessum fjórum svæðum sé raðað á ferflötungshátt (Mynd 7.21), eins og sýnt er í Mynd 7.17. Þannig er rúmfræði rafeindapara ferflötungur og sameindabyggingin er beygð með horni sem er aðeins minna en 109,5°. Í raun er tengihornið 104,5°.

Kannaðu þekkingu þína

Hýdróníumjónin, H₃O⁺, myndast þegar sýrur eru leystar upp í vatni. Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu þessarar katjónar.

Two diagrams are shown and labeled, “a” and “b.” Diagram a shows an oxygen atom in the center of a four-sided pyramid shape. Diagram b shows the same image as diagram a, but this time there are hydrogen atoms located at two corners of the pyramid shape. — Mynd 7.21 (a) H₂O hefur fjögur svæði rafeindaþéttleika í kringum miðjufrumeindina, þannig að hún hefur ferflötungs rúmfræði rafeindapara. (b) Tvö af rafeindasvæðunum eru stök rafeindapör, þannig að sameindabyggingin er beygð.

Dæmi 7.14

Lausn

Að spá fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu: SF<sub>4</sub>Brennisteinsflúoríð, SF₄, er afar verðmætt til framleiðslu á flúorinnihaldandi efnasamböndum sem notuð eru sem illgresiseyðar (þ.e. SF₄ er notað sem flúorunarefni). Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu SF₄ sameindar.

Lewis mynd SF₄ sýnir fimm svæði með rafeindaþéttleika í kringum brennisteinsfrumeindina: eitt stakt rafeindapar og fjögur bindandi rafeindapör:

Við búumst við að þessi fimm svæði taki sér rúmfræði rafeindapara í formi þríhyrningslaga tvípýramída. Til að lágmarka fráhrindikrafta staka rafeindaparsins tekur það eina af miðbaugstöðunum. Sameindabyggingin (Mynd 7.22) er í formi rólu (Mynd 7.17).

Kannaðu þekkingu þína

Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu fyrir sameindir af XeF₂.

Two diagrams are shown and labeled, “a” and “b.” Diagram a shows a sulfur atom in the center of a six-sided bi-pyramidal shape. Diagram b shows the same image as diagram a, but this time there are fluorine atoms located at four corners of the pyramid shape and they are connected to the sulfur atom by single lines. — Mynd 7.22 (a) SF4 hefur þríhyrningslaga tvípýramída fyrirkomulag á fimm svæðum rafeindaþéttleika. (b) Eitt svæðanna er stakt rafeindapar, sem leiðir til rólulaga sameindabyggingar.

Dæmi 7.15

Lausn

Að spá fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu: XeF<sub>4</sub>Af öllum eðallofttegundum er xenon sú hvarfgjarnasta og hvarfast oft við frumefni eins og súrefni og flúor. Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingu XeF₄ sameindarinnar.

Lewis mynd XeF₄ sýnir sex svæði með miklum rafeindaþéttleika í kringum xenonfrumeindina: tvö stök rafeindapör og fjögur tengi:

Þessi sex svæði taka sér áttflötungsfyrirkomulag (Mynd 7.17), sem er rúmfræði rafeindaparanna. Til að lágmarka fráhrindikrafta ættu stöku rafeindapörin að vera á gagnstæðum hliðum miðfrumeindarinnar (Mynd 7.23). Frumeindirnar fimm eru allar í sama plani og hafa ferningslaga flata sameindabyggingu.

Kannaðu þekkingu þína

Í ákveðinni sameind hefur miðfrumeindin þrjú stök rafeindapör og tvö tengi. Hver verður rúmfræði rafeindapara og sameindabyggingin?

Two diagrams are shown and labeled, “a” and “b.” Diagram a shows a xenon atom in the center of an eight-sided octahedral shape. Diagram b shows the same image as diagram a, but this time there are fluorine atoms located at the four corners of the shape in the horizontal plane. They are connected to the xenon by single lines. — Mynd 7.23 (a) XeF₄ tekur sér áttflötungsfyrirkomulag með tveimur stökum rafeindapörum (rauðar línur) og fjórum tengjum í rúmfræði rafeindaparanna. (b) Sameindabyggingin er ferningslaga flöt þar sem stöku rafeindapörin eru beint á móti hvoru öðru.

Sameindabygging fyrir fjölmiðjusameindir

Þegar sameind eða fjölfrumeinda jón hefur aðeins eina miðfrumeind, lýsir sameindabyggingin lögun sameindarinnar að fullu. Stærri sameindir hafa ekki eina miðfrumeind, heldur eru þær tengdar með keðju innri frumeinda sem hver um sig hefur „staðbundna“ rúmfræði. Hvernig þessar staðbundnu byggingar raðast upp miðað við hvor aðra hefur einnig áhrif á lögun sameindarinnar, en slíkar vangaveltur eru að mestu leyti utan gildissviðs þessarar inngangsumræðu. Í okkar tilgangi munum við aðeins einbeita okkur að því að ákvarða staðbundnar byggingar.

Dæmi 7.16

Að spá fyrir um byggingu í fjölmiðjusameindum

Lewis mynd fyrir einföldustu amínósýruna, glýsín, H₂NCH₂CO₂H, er sýnd hér. Spáðu fyrir um staðbundna rúmfræði fyrir niturfrumeindina, kolefnisfrumeindirnar tvær og súrefnisfrumeindina með vetnisfrumeind tengdri:

Lausn

Líttu á hverja miðfrumeind fyrir sig. Rúmfræði rafeindaparanna:

nitur––fjögur svæði rafeindaþéttleika; ferflötungur
kolefni (CH₂)––fjögur svæði með rafeindaþéttleika; ferflötungur
kolefni (CO₂)—þrjú svæði með rafeindaþéttleika; þríhyrningslaga flatt
súrefni (OH)—fjögur svæði með rafeindaþéttleika; ferflötungur

Staðbundnar byggingar:

köfnunarefni––þrjú efnatengi, eitt rafeindapar; þríhyrningslaga pýramídi
kolefni (CH₂)—fjögur efnatengi, engin rafeindapör; ferflötungur
kolefni (CO₂)—þrjú efnatengi (tvítengi telst sem eitt efnatengi), engin rafeindapör; þríhyrningslaga flatt
súrefni (OH)—tvö efnatengi, tvö rafeindapör; beygður (109°)

Kannaðu þekkingu þína

Önnur amínósýra er alanín, sem hefur Lewis myndina sem sýnd er hér. Spáðu fyrir um rúmfræði rafeindapara og staðbundna byggingu niturfrumeindarinnar, kolefnisfrumeindanna þriggja og súrefnisfrumeindarinnar með vetni tengdu:

Dæmi 7.17

Sameindahermun

Með því að nota herminn fyrir lögun sameinda getum við stjórnað því hvort efnatengishorn og/eða stök rafeindapör eru sýnd með því að haka í eða afhaka reitina undir „Options“ (Valkostir) hægra megin. Við getum einnig notað „Name“ (Nafn) gátreitina neðst til vinstri til að sýna eða fela rúmfræði rafeindapara (kallað „electron geometry“ í herminum) og/eða byggingu sameindarinnar (kallað „molecular shape“ í herminum).

Byggðu HCN-sameindina í herminum út frá eftirfarandi Lewis-byggingu:

Smelltu á hverja tegund efnatengis eða stakt rafeindapar hægra megin til að bæta þeim hóp við miðjufrumeindina. Þegar þú ert komin(n) með alla sameindina skaltu snúa henni til að skoða hina fyrirspáðu byggingu sameindarinnar. Hver er þessi bygging sameindarinnar?

Lausn

Bygging sameindarinnar er línuleg.

Kannaðu þekkingu þína

Byggðu flóknari sameind í herminum. Greindu rúmfræði rafeindahópsins, byggingu sameindarinnar og efnatengishorn. Reyndu síðan að finna efnaformúlu sem myndi passa við bygginguna sem þú hefur teiknað.

Kenningin um fráhrindingu rafeindapara í gildishvolfi (VSEPR-kenningin) (e. valence shell electron-pair repulsion theory (vsepr theory)) gerir okkur kleift að spá fyrir um byggingu sameindar, þar á meðal áætluð efnatengishorn í kringum miðjufrumeind, út frá skoðun á fjölda efnatengja og stakra rafeindapara í Lewis-byggingu hennar. VSEPR-líkanið gerir ráð fyrir að rafeindapör í gildishvolfi miðjufrumeindar muni raða sér þannig að fráhrinding milli þessara rafeindapara sé í lágmarki með því að hámarka fjarlægðina á milli þeirra. Rafeindirnar í gildishvolfi miðjufrumeindar mynda annaðhvort tengirafeindapör, sem eru aðallega staðsett á milli tengdra frumeinda, eða stök rafeindapör. Rafstöðufráhrinding þessara rafeinda minnkar þegar hin ýmsu svæði með háan rafeindaþéttleika taka sér stöður eins langt frá hvoru öðru og mögulegt er.

VSEPR-kenningin spáir fyrir um röðun rafeindapara í kringum hverja miðjufrumeind og, yfirleitt, rétta röðun frumeinda í sameind. Við ættum þó að skilja að kenningin tekur aðeins tillit til fráhrindingar rafeindapara. Aðrar víxlverkanir, svo sem fráhrinding milli kjarna og aðdráttur milli kjarna og rafeinda, koma einnig við sögu í endanlegri röðun sem frumeindir taka sér í tiltekinni byggingu sameindar.

Sem einfalt dæmi um VSEPR-kenninguna skulum við spá fyrir um byggingu BeF₂-sameindar á gasformi. Lewis-bygging BeF₂ (Mynd 7.24) sýnir aðeins tvö rafeindapör í kringum miðjufrumeindina beryllíum. Með tvö efnatengi og engin stök rafeindapör á miðjufrumeindinni eru efnatengin eins langt í burtu frá hvort öðru og mögulegt er og rafstöðufráhrindingin milli þessara svæða með háan rafeindaþéttleika er minnkuð í lágmark þegar þau eru á gagnstæðum hliðum miðjufrumeindarinnar. Efnatengishornið er 180° (Mynd 7.24).

A Lewis structure is shown. A fluorine atom with three lone pairs of electrons is single bonded to a beryllium atom which is single bonded to a fluorine atom with three lone pairs of electrons. The angle of the bonds between the two fluorine atoms and the beryllium atom is labeled, “180 degrees.” — Mynd 7.24 BeF₂-sameindin tekur sér línulega byggingu þar sem efnategnin tvö eru eins langt frá hvort öðru og mögulegt er, á gagnstæðum hliðum Be-frumeindarinnar.

Mynd 7.25 sýnir þetta og aðrar rúmfræðilegar raðanir rafeindapara sem lágmarka fráhrindingu milli svæða með háan rafeindaþéttleika (efnatengi og/eða stök rafeindapör). Tvö svæði með rafeindaþéttleika í kringum miðjufrumeind í sameind mynda línulega (e. linear) rúmfræði; þrjú svæði mynda þríhyrningsplana (e. trigonal planar) rúmfræði; fjögur svæði mynda fjórflötungs (e. tetrahedral) rúmfræði; fimm svæði mynda þríhyrnings-tvípýramída (e. trigonal bipyramidal) rúmfræði; og sex svæði mynda áttflötungs (e. octahedral) rúmfræði.

A table with four rows and six columns is shown. The header column contains the phrases, “Number of regions,” “Spatial arrangement,” “Wedge/dash Notation,” and “Electron region Geometry.” The first row reads: “Two regions of high electron density ( bonds and/or unshared pairs )”, “Three regions of high electron density ( bonds and/or unshared pairs ),” “Four regions of high electron density ( bonds and/or unshared pairs ),” “Five regions of high electron density ( bonds and/or unshared pairs ),” and “Six regions of high electron density ( bonds and/or unshared pairs ).” The second row shows diagrams of orbitals. The first image shows two oval-shaped orbs with an arrow indicating an angle of 180 degrees. The second image shows three oval-shaped orbs with an arrow indicating an angle of 120 degrees. The third image shows four oval-shaped orbs with an arrow indicating an angle of 109.5 degrees. The fourth image shows five oval-shaped orbs with an arrow indicating an angle of 90 and 120 degrees. The fifth image shows six oval-shaped orbs with an arrow indicating an angle of 90 degrees. The third row contains Lewis structures. The first structure shows a beryllium atom single bonded to two hydrogen atoms. The second structure shows a boron atom single bonded to three hydrogen atoms. The third structure shows a carbon atom single bonded to four hydrogen atoms. The fourth structure shows a phosphorus atom single bonded to five fluorine atoms. The fifth structure shows a sulfur atom single bonded to six fluorine atoms. The fourth row contains the phrases “Linear; 180 degree angle,” Trigonal Planar; all angles 120 degrees,” “Tetrahedral; all angles 109.5 degrees,” “Trigonal bipyramidal; angles of 90 degrees and 120 degrees. An attached atom may be equatorial, ( in the plane of the triangle ), or axial, ( above the plane of the triangle ),” and “Octahedral; 90 degrees or 180 degrees.” — Mynd 7.25 Grunnrúmfræði rafeindapara sem VSEPR-kenningin spáir fyrir um hámarkar rýmið í kringum öll svæði með rafeindaþéttleika (efnatengi eða stök rafeindapör).

Skautun sameinda og tvískautsvægi

Eiginleikar skautaðra sameinda

Skautaðar sameindir hafa tilhneigingu til að raða sér upp þegar þær eru settar í rafsvið þannig að jákvæði endi sameindarinnar snýr að neikvæðu plötunni og neikvæði endinn að jákvæðu plötunni (Mynd 7.26). Við getum notað rafmagnaðan hlut til að laða að skautaðar sameindir, en óskautaðar sameindir laðast ekki að. Einnig eru skautaðir leysar betri í að leysa upp skautuð efni og óskautaðir leysar eru betri í að leysa upp óskautuð efni.

Two diagrams are shown and labeled “a” and “b.” Diagram a shows two vertical, gray electrodes. There are five molecules in between. The molecules are separate from one another and are composed of a hydrogen atom bonded to a fluorine atom. The fluorine atom is labeled with a dipole symbol and a superscripted negative sign while the hydrogen atom is labeled with a dipole symbol and a superscripted positive sign. The molecules are randomly oriented in the space. The right diagram also shows two vertical gray electrodes, the left labeled as negative and the right labeled as positive. The space between is yellow. The same molecules are present, but this time they are all facing horizontally, with the hydrogen-end of each molecule facing toward the negative electrode. — Mynd 7.26 (a) Sameindir eru alltaf tilviljanakennt dreifðar í vökvafasa þegar ekkert rafsvið er til staðar. (b) Þegar rafsviði er beitt munu skautaðar sameindir eins og HF raða sér upp með tvískautin í stefnu sviðsins.

Dæmi 7.18

Hermar fyrir skautun

Opnaðu herminn um skautun sameinda og veldu flipann „Þrjár frumeindir“ efst. Þetta ætti að sýna ABC-sameind með þremur rafneikvæðnistillum. Þú getur sýnt eða falið tvískautsvægi tengja, tvískautsvægi sameinda og hluthleðslur hægra megin. Ef kveikt er á rafsviðinu sést hvort sameindin hreyfist þegar hún verður fyrir sviði, svipað og í Mynd 7.26.

Notaðu rafneikvæðnistillana til að ákvarða hvernig tvískautsvægi sameindarinnar mun líta út fyrir upphaflega beygðu sameindina ef:

(a) A og C eru mjög rafneikvæðar og B er í miðju sviðsins.

(b) A er mjög rafneikvæð og B og C eru það ekki.

Lausn

(a) Tvískautsvægi sameindarinnar vísar beint á milli A og C.

(b) Tvískautsvægi sameindarinnar vísar meðfram A–B-efnatenginu, í átt að A.

Kannaðu þekkingu þína

Ákvarðaðu hluthleðslurnar sem gefa stærstu mögulegu tvískautsvægi tengja.

Eins og áður hefur komið fram tengja skautuð samgild efnatengi saman tvær frumeindir með mismunandi rafneikvæðni, sem veldur því að önnur frumeindin fær jákvæða hluthleðslu (δ+) og hin neikvæða hluthleðslu (δ–), þar sem rafeindirnar dragast að rafneikvæðari frumeindinni. Þessi aðskilnaður hleðslu gefur tilefni til tvískautsvægis efnatengis (e. bond dipole moment). Stærð tvískautsvægis efnatengis er táknuð með gríska stafnum mú (µ) og er gefin með formúlunni sem sýnd er hér, þar sem Q er stærð hluthleðslnanna (ákvörðuð af rafneikvæðnismuninum) og r er fjarlægðin milli hleðslnanna:

Þetta tvískautsvægi tengis má tákna sem vigur (e. vector), stærð sem hefur bæði stefnu og stærð (Mynd 7.27). Tvískautsvigrar eru sýndir sem örvar sem vísa meðfram efnateginu frá minna rafneikvæðu frumeindinni í átt að þeirri rafneikvæðari. Lítið plúsmerki er teiknað á minna rafneikvæða endann til að gefa til kynna að sá endi efnatengisins sé með jákvæða hluthleðslu. Lengd örvarinnar er í réttu hlutfalli við stærð rafneikvæðnismunarins milli frumeindanna tveggja.

Two images are shown and labeled, “a” and “b.” Image a shows a large sphere labeled, “C,” a left-facing arrow with a crossed end, and a smaller sphere labeled “H.” Image b shows a large sphere labeled, “B,” a right-facing arrow with a crossed end, and a smaller sphere labeled “F.” — Mynd 7.27 (a) Lítill munur er á rafneikvæðni milli C og H, táknað með stuttum vigri. (b) Rafneikvæðnismunurinn milli B og F er mun meiri, þannig að vigurinn sem táknar tvískautsvægi tengisins er mun lengri.

Heil sameind getur einnig haft aðskilnað hleðslu, allt eftir sameindabyggingu hennar og skautun hvers efnatengis. Ef slíkur hleðsluaðskilnaður er til staðar er sagt að sameindin sé skautuð sameind (e. polar molecule) (eða tvískaut); annars er sagt að sameindin sé óskautuð. Tvískautsvægið (e. dipole moment) mælir umfang heildarhleðsluaðskilnaðar í sameindinni í heild. Við ákvörðum tvískautsvægið með því að leggja saman tvískautsvægi efnategjanna í þrívíðu rúmi, með hliðsjón af sameindabyggingunni.

Fyrir tvíatóma sameindir er aðeins eitt efnatengi, þannig að tvískautsvægi þess ákvarðar skautun sameindarinnar. Hrein efni úr tvíatóma sameindum eins og Br₂ og N₂ hafa engan mun á rafneikvæðni, þannig að tvískautsvægi þeirra er núll. Fyrir efnasambönd úr tvíatóma sameindum eins og CO er lítið tvískautsvægi. Fyrir HF er stærra tvískautsvægi vegna þess að munurinn á rafneikvæðni er meiri.

Þegar sameind inniheldur fleiri en eitt efnatengi verður að taka tillit til rúmfræðinnar. Ef efnatengin í sameind eru þannig uppröðuð að tvískautsvægi þeirra núllast út (vigur-summa er jöfn núlli), þá er sameindin óskautuð. Þetta er staðan í CO₂ (Mynd 7.28). Hvert efnatengi er skautað, en sameindin í heild er óskautuð. Út frá Lewis-byggingunni og með VSEPR-kenningunni ályktum við að CO₂-sameindin sé línuleg með skautuð C=O-efnatengi á gagnstæðum hliðum kolefnisfrumeindarinnar. Tvískautsvægi tengjanna núllast út vegna þess að þau vísa í gagnstæðar áttir. Í tilfelli vatnssameindarinnar (Mynd 7.28) sýnir Lewis-byggingin aftur að það eru tvö efnatengi við miðjufrumeind og rafneikvæðnismunurinn sýnir aftur að hvort þessara efnatengja hefur tvískautsvægi sem er ekki núll. Í þessu tilfelli er sameindabyggingin hins vegar beygð vegna einliða rafeindapara á O og tvískautsvægi tengjanna tveggja núllast ekki út. Þess vegna hefur vatn heildartvískautsvægi og er skautuð sameind (tvískaut).

Two images are shown and labeled, “a” and “b.” Image a shows a carbon atom bonded to two oxygen atoms in a ball-and-stick representation. Two arrows face away from the center of the molecule in opposite directions and are drawn horizontally like the molecule. These arrows are labeled, “Bond moments,” and the image is labeled, “Overall dipole moment equals 0.” Image b shows an oxygen atom bonded to two hydrogen atoms in a downward-facing v-shaped arrangement. An upward-facing, vertical arrow is drawn below the molecule while two upward and inward facing arrows are drawn above the molecule. The upper arrows are labeled, “Bond moments,” while the image is labeled, “Overall dipole moment.” — Mynd 7.28 Heildartvískautsvægi sameindar fer eftir tvískautsvægi einstakra efnatengja og hvernig þau raðast. (a) Hvert CO-tengi hefur tvískautsvægi en þau vísa í gagnstæðar áttir þannig að CO₂-sameindin í heild er óskautuð. (b) Aftur á móti er vatn skautað vegna þess að tvískautsvægi OH-tengjanna núllast ekki út.

OCS-sameindin hefur svipaða byggingu og CO₂, en brennisteinsfrumeind hefur komið í stað einnar súrefnisfrumeindarinnar. Til að ákvarða hvort þessi sameind sé skautuð teiknum við sameindabygginguna. VSEPR-kenningin spáir fyrir um línulega sameind:

An image shows a carbon atom double bonded to a sulfur atom and an oxygen atom which are arranged in a horizontal plane. Two arrows face away from the center of the molecule in opposite directions and are drawn horizontally like the molecule. The left-facing arrow is larger than the right-facing arrow. These arrows are labeled, “Bond moments,” and a left-facing arrow below the molecule is labeled, “Overall dipole moment.”

C-O-tengið er töluvert skautað. Þótt C og S hafi mjög svipuð rafneikvæðnisgildi er S örlítið rafneikvæðara en C og því er C-S-tengið aðeins örlítið skautað. Þar sem súrefni er rafneikvæðara en brennisteinn er súrefnisendinn á sameindinni neikvæði endinn.

Klórmetan, CH₃Cl, er ferflötungssameind með þremur örlítið skautuðum C-H-tengjum og einu skautaðra C-Cl-tengi. Hlutfallsleg rafneikvæðni tengdu frumeindanna er H < C < Cl og því vísa öll tvískautsvægi tengjanna í átt að Cl-enda sameindarinnar og leggjast saman og mynda töluvert tvískautsvægi (sameindirnar eru tiltölulega skautaðar).

An image shows a carbon atom single bonded to three hydrogen atoms and a chlorine atom. There are arrows with crossed ends pointing from the hydrogen to the carbon near each bond, and one pointing from the carbon to the chlorine along that bond. The carbon and chlorine arrow is longer. This image uses dashes and wedges to give it a three-dimensional appearance.

Fyrir sameindir með mikla samhverfu eins og BF₃ (þríhyrningsflatningur), CH₄ (ferflötungur), PF₅ (þríhyrnd tvípýramída) og SF₆ (áttflötungur) eru öll tengin með sömu skautun (sama tvískautsvægi tengis) og þau raðast í rúmfræði sem gefur óskautaðar sameindir (tvískautsvægi er núll). Sameindir með minni rúmfræðilega samhverfu geta þó verið skautaðar jafnvel þótt öll tvískautsvægi tengja séu eins. Fyrir þessar sameindir eru stefnur jafnra tvískautsvægis tengja þannig að þær leggjast saman og gefa tvískautsvægi sem er ekki núll og skautaða sameind. Dæmi um slíkar sameindir eru brennisteinsvetni, H₂S (ólínuleg), og ammóníak, NH₃ (þríhyrndur pýramídi).

Two Lewis structures are shown. The left structure shows a sulfur atom with two lone pairs of electrons single bonded to two hydrogen atoms. Near the sulfur is a dipole symbol with a superscripted negative sign. Near each hydrogen is a dipole symbol with a superscripted positive sign. The right structure shows a nitrogen atom with one lone pair of electrons single bonded to three hydrogen atoms. Near the nitrogen is a dipole symbol with a superscripted negative sign. Near each hydrogen is a dipole symbol with a superscripted positive sign.

Til að draga saman, til að vera skautuð verður sameind að:

Innihalda að minnsta kosti eitt skautað samgilt efnatengi.
Hafa sameindabyggingu þannig að summa vigra hvers tvískautsvægis tengis núllist ekki út.