Teorie VSEPR

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání

Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) je model užívaný v chemii k předpovídáni geometrie molekul na základě počtu a druhu elektronových párů obklopujících centrální atomy. Je také označován jako Gillespieho-Nyholmova teorie, podle hlavních tvůrců.

Teorie VSEPR je založena na předpokladu, že vazebné i nevazebné elektrony obklopující atom, se navzájem odpuzují a proto se snaží zaujmout takové uspořádání, aby byly co nejdále od sebe, tím určují geometrii molekuly. Gillespie zdůraznil, že odpuzování dané Pauliho vylučovacím principem je pro určování geometrie významnějším faktorem než elektrostatické odpuzování.[1]

Teorie VSEPR je založena spíše na pozorovatelné elektronové hustotě, než na vlnové funkci, proto nesouvisí s hybridizací orbitalů, i když obě teorie řeší tvar molekul.[2]

Historie[editovat | editovat zdroj]

Myšlenka, že může existovat vztah mezi geometrií molekuly a počtem valenčních elektronů (jak vazebných, tak i nevazebných) byla poprvé publikována v roce 1939 Ryutaro Tsuchidou[3] a nezávisle byla prezentována v roce 1940 Nevilem Sidgwickem a Herbertem Powellem z Oxfordské univerzity.[4] V roce 1957 byla teorie zpřesněna a rozšířena Ronaldem Gillpespie a Ronaldem Sydney Nyholmem z University College London, takže umožňovala výběr mezi různými geometriemi.[5][6]

V posledních letech byla teorie VSEPR kritizována jako zastaralý model, jak z hlediska vědecké přesnosti, tak i z pedagogického úhlu pohledu.[7] Např. u ekvivalentních nevazebných elektronových párů vody a karbonylových sloučenin nejsou uvažovány rozdíly v symetrii (σ vs. π) molekulových orbitalů, a tyto rozdíly jsou někdy v chemii významné. Také neexistují důkazy, ať už výpočetní nebo experimentální o větší objemnosti nevazebného páru oproti vazebnému. Nicméně, teorie VSEPR věrně popisuje vlastnosti a distribuci elektronů v jednoduchých molekulách, proto je stále vyučována.

Základní přehled[editovat | editovat zdroj]

Teorie VSEPR se využívá pro předpověď uspořádání elektronových párů okolo nevodíkových atomů v molekule, především v jednoduchých a symetrických molekulách, kde jsou tyto centrální atomy vázány ke dvěma a více atomům. Geometrie těchto atomů a uspořádání jejich nevazebných elektronových párů pak určují geometrii zbytku molekuly.

Počet elektronových párů ve valenční slupce centrálního atomu zjistíme nakreslením Lewisova strukturního vzorce molekuly. Teorie VSEPR uvažuje dvojnou a trojnou vazbu jako jednovazebnou skupinu.[8] Součet počtu atomů vázaných k centrálnímu atomu a nevazebných elektronových párů se označuje jako sterické číslo centrálního atomu.

Velikost odpuzování[editovat | editovat zdroj]

Celková geometrie je zpřesňována rozlišením mezi vazebnými a nevazebnými elektronovými páry. Vazebný elektronový pár sdílený v sigma-vazbě s přilehlým atomem leží dále od centrálního atomu než nevazebný pár tohoto atomu, který je blízko kladně nabitého jádra. Teorie VSEPR proto uvažuje odpuzování způsobené nevazebným elektronovým párem za silnější než odpuzování vazebným elektronovým párem. Pokud jsou v molekule dvě interakce s různou velikostí odpuzování, VSEPR předpovídá takovou strukturu, kde bude nevazebný pár umístěn tak, aby odpuzování bylo co nejmenší. Odpuzování dvojice nevazebný pár-nevazebný pár (np-np) je považováno za silnější než nevazebný pár-vazebný pár (np-vp), které je silnější než odpuzování vazebný pár-vazebný pár (vp-vp). Tyto rozdíly pak umožňují určit správnou geometrii, pokud existuje více neekvivalentních pozic.[8] Například, pokud centrální atom obklopuje pět elektronových párů, bude mít molekula tvar trigonální pyramidy. V tomto uspořádání jsou dva páry v axiální poloze a tři páry v ekvatoriální poloze. Elektronový pár v axiální poloze interaguje s třemi páry, které s ním svírají úhel 90°. Čtvrtý pár pak svírá úhel 180°, jeho interakce s posuzovaným párem je nejslabší. Naproti tomu, elektronový pár v ekvatoriální pozici interaguje s dvěma páry pod úhlem 90° a zbylé dva s ním svírají úhel 120°. Repulze od bližších párů (úhel 90°) je silnější, proto budou nevazebné elektronové páry obsazovat ekvatoriální pozice.[9]

Rozdíl mezi vazebným a nevazebným elektronovým párem lze využít k vysvětlení odchylek od ideální geometrie. Např, v molekule vody jsou čtyři elektronové páry, dva vazebné a dva nevazebné. Výchozím tvarem pro tento počet elektronových párů je tetraedr, v kterém je úhel mezi elketronovými páry 109,5°. Vzhledem k silnější repulzi od nevazebných elektronových párů, dojde k deformaci vazebného úhlu HOH na hodnotu 104,5°.

Toto pravidlo lze ještě rozšířit dvěma dalšími pravidly:

  • Bentovo pravidlo: Vazebný elektronový pár s více elektropozitivním ligandem způsobuje větší odpouzování. Tímto lze vysvětlit proč Cl v PClF4 preferuje ekvatoriální pozici a proč je vazebný úhel v OF2 (103,8°) menší než ve vodě (104,5°). Nevazebné páry jsou posuzovány jako speciální případ, kdy má ligand nejvyšší možnou elektropozitivitu.
  • Vazba vyššího řádu odpuzuje silněji než vazba nižšího řádu. Tím lze vysvětlit, proč je vazebný úhel OPCl ve fosgenu (124,1°) větší než úhel ClPCl (111,8°), i když je chlor elektropozitivnější než kyslík.


Metoda AXE[editovat | editovat zdroj]

Metoda AXE se běžně používá pro počítání elektronových párů v teorii VSEPR. Písmeno A představuje centrální atom, X je ligand (atomy vázané k A). Písmeno E reprezentuje počet nevazebných elektronových párů, které náleží centrálnímu atomu molekuly. Součet X a E se označuje jako sterické číslo.

V závislosti na počtu vazebných a nevazebných elektronových párů, dokáže teorie VSEPR předpovědět tvar molekuly, jak je shrnuto v tabulce.

Sterické
číslo
Geometrie molekuly[10]
0 nevazebných párů
Geometrie molekuly[8]:413–414
1 nevazebný pár
Geometrie molekuly[8]:413–414
2 nevazebné páry
Geometrie molekuly[8]:413–414
3 nevazebné páry
2 AX2E0-2D.png
Lineární (CO2)
     
3 AX3E0-side-2D.png
Trigonálně planární (BCl3)
AX2E1-2D.png
Lomený tvar (SO2)
   
4 AX4E0-2D.png
Tetraedr (CH4)
AX3E1-2D.png
Trigonálně pyramidální (NH3)
AX2E2-2D.png
Lomený tvar (H2O)
 
5 AX5E0-2D.png
Trigonální bipyramida (PCl5)
AX4E1-2D.png
Houpačka (SF4)
AX3E2-2D.png
Tvar T (ClF3)
AX2E3-2D.png
Lineární (I -
3
 
)
6 AX6E0-2D.png
Oktaedr (SF6)
AX5E1-2D.png
Čtvercová pyramida (BrF5)
AX4E2-2D.png
Čtverec (XeF4)
 
7 AX7E0-2D.png
Pentagonální bipyramida (IF7)
AX6E1-2D.png
Pentagonální pyramida (XeOF -
5
 )[11]
AX5E2-2D.png
Pětiúhelník (XeF -
5
 
)[12]
 
Typ
molekuly
Tvar[8]:413–414 Uspořádání elektronových párů[8]:413–414
včetně nevazebných párů, ty jsou zobrazeny žlutě
Geometrie[8]:413–414
bez nevazebných párů
Příklady
AX2E0 Lineární AX2E0-3D-balls.png Linear-3D-balls.png BeCl2, HgCl2, CO2
AX2E1 Lomený AX2E1-3D-balls.png Bent-3D-balls.png NO -
2
 
, SO2, O3, CCl2
AX2E2 Lomený AX2E2-3D-balls.png Bent-3D-balls.png H2O, OF2
AX2E3 Lineární AX2E3-3D-balls.png Linear-3D-balls.png XeF2, I -
3
 
, XeCl2
AX3E0 Trigonálně planární AX3E0-3D-balls.png Trigonal-3D-balls.png BF3, CO 2-
3
 
, NO -
3
 
, SO3
AX3E1 Trigonální pyramida AX3E1-3D-balls.png Pyramidal-3D-balls.png NH3, PCl3
AX3E2 Tvar T AX3E2-3D-balls.png T-shaped-3D-balls.png ClF3, BrF3
AX4E0 Tetraedr AX4E0-3D-balls.png Tetrahedral-3D-balls.png CH4, PO 3-
4
 
, SO 2-
4
 
, ClO -
4
 
, XeO4
AX4E1 Houpačka AX4E1-3D-balls.png Seesaw-3D-balls.png SF4
AX4E2 Čtverec AX4E2-3D-balls.png Square-planar-3D-balls.png XeF4
AX5E0 Trigonální bipyramida Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png PCl5
AX5E1 Čtvercová pyramida AX5E1-3D-balls.png Square-pyramidal-3D-balls.png ClF5, BrF5, XeOF4
AX5E2 Pětiúhelník AX5E2-3D-balls.png Pentagonal-planar-3D-balls.png XeF -
5
 
AX6E0 Oktaedr AX6E0-3D-balls.png Octahedral-3D-balls.png SF6, WCl6
AX6E1 Pentagonalní pyramida AX6E1-3D-balls.png Pentagonal-pyramidal-3D-balls.png XeOF -
5
 , IOF 2-
5
 
AX7E0 Pentagonalní bipyramida AX7E0-3D-balls.png Pentagonal-bipyramidal-3D-balls.png IF7

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku VSEPR_theory na anglické Wikipedii.

  1. GILLESPIE, R.J. Fifty years of the VSEPR model. Coordination Chemistry Reviews. Roč. 252, čís. 12-14, s. 1315–1327. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. DOI:10.1016/j.ccr.2007.07.007. 
  2. GILLESPIE, Ronald J. Teaching Molecular Geometry with the VSEPR Model. Journal of Chemical Education. 2004-03-01, roč. 81, čís. 3, s. 298. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. ISSN 0021-9584. DOI:10.1021/ed081p298. 
  3. TSUCHIDA, Ryutaro. A New Simple Theory of Valency. NIPPON KAGAKU KAISHI. 1939, roč. 60, čís. 3, s. 245–256. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. ISSN 0369-4208. DOI:10.1246/nikkashi1921.60.245. (japonsky) 
  4. SIDGWICK, N. V.; S, F. R.; POWELL, H. M. Bakerian Lecture: Stereochemical types and valency groups. Proc. R. Soc. Lond. A. 1940-10-09, roč. 176, čís. 965, s. 153–180. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. ISSN 0080-4630. DOI:10.1098/rspa.1940.0084. (anglicky) 
  5. GILLESPIE, R. J.; NYHOLM, R. S. Inorganic stereochemistry. Quarterly Reviews, Chemical Society. 1957-01-01, roč. 11, čís. 4. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. ISSN 0009-2681. DOI:10.1039/qr9571100339. (anglicky) 
  6. GILLESPIE, R. J. The electron-pair repulsion model for molecular geometry. Journal of Chemical Education. 1970-01-01, roč. 47, čís. 1, s. 18. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. ISSN 0021-9584. DOI:10.1021/ed047p18. 
  7. CLAUSS, Allen D.; NELSEN, Stephen F.; AYOUB, Mohamed. Rabbit-ears hybrids, VSEPR sterics, and other orbital anachronisms. Chem. Educ. Res. Pract.. 2014-10-08, roč. 15, čís. 4, s. 417–434. Dostupné online [cit. 2018-02-09]. ISSN 1756-1108. DOI:10.1039/c4rp00057a. (anglicky) 
  8. a b c d e f g h H., Petrucci, Ralph. General chemistry : principles and modern applications.. 8th ed.. vyd. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall 1 volume (various pagings) s. Dostupné online. ISBN 0130143294. 
  9. MIESSLER, Gary L.,. Inorganic chemistry. 2nd ed. vyd. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall xiii, 642 pages s. Dostupné online. ISBN 0138418918. 
  10. H., Petrucci, Ralph. General chemistry : principles and modern applications.. 8th ed.. vyd. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall 1 volume (various pagings) s. Dostupné online. ISBN 0130143294. 
  11. BARAN, Enrique J. Mean amplitudes of vibration of the pentagonal pyramidal XeOF5− and IOF52− anions. Journal of Fluorine Chemistry. Roč. 101, čís. 1, s. 61–63. Dostupné online [cit. 2018-02-16]. DOI:10.1016/s0022-1139(99)00194-3. 
  12. HOUSECROFT, Catherine E.,. Anorganická chemie. Vyd. 1. vyd. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze xxx, 1119 s. s. Dostupné online. ISBN 9788070808726. 

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • HOUSECROFT, Catherine E.,. Anorganická chemie. Vyd. 1. vyd. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze xxx, 1119 s. s. Dostupné online. ISBN 9788070808726. 
  • KLIKORKA, J.; HÁJEK, B.; VOTINSKÝ, J. Obecná a anorganická chemie. 2. vydání. vyd. Praha: SNTL 592 s.