Zadá sa vzorec molekuly na analýzu Lewisovej štruktúry, geometrie VSEPR, hybridizácie, väzbového uhla a polarity. Používajú sa vstavané údaje pre viac než 50 bežných molekúl.
Formálny náboj = valenčné − voľné páry − ½(väzbové). Pre celú molekulu sa každý atóm analyzuje zvlášť.
Geometria molekuly sa predpovedá zo sterického čísla (elektrónových domén) a voľných párov. Zápis AXnEm.
Hybridizácia sa určí zo sterického čísla: 2→sp, 3→sp², 4→sp³, 5→sp³d, 6→sp³d².
Polarita molekuly sa určí z geometrie a symetrie väzieb. Analyzuje sa rušenie dipólov väzieb.
Chemická väzba je to, čo znižuje energiu súboru atómov, keď zostanú spojené. Atómy usporiadajú svoje elektróny tromi širokými spôsobmi: ich prenesením (iónová), zdieľaním medzi dvoma jadrami (kovalentná) alebo spoločným použitím v celej mriežke (kovová). Skutočné látky tvoria kontinuum — zdieľanie v väzbe C–H je oveľa vyrovnanejšie než v O–H — ale každá štruktúra na tejto stránke vychádza z jednej otázky: vzhľadom na valenčné elektróny, kde musia atómy skončiť?
Jedno pravidlo na zapamätanie: odpudzovanie je v poradí: voľný pár–voľný pár > voľný pár–väzba > väzba–väzba. Voľné páry sú držané len jedným jadrom, takže sa rozťahujú širšie než väzobné páry a tlačia väzby k sebe — preto je CH4 109,5°, ale H2O je 104,5°.
Tri rodiny väzieb
Aspect
Iónová
Kovalentná
Kovová
Čo sa deje
Elektróny prechádzajú z kovu na nekov; opačné náboje sa priťahujú
Elektrónové páry zdieľané medzi dvoma jadrami
Elektróny delokalizované po všetkých kovových katiónoch
Príklad
NaCl, MgO
H2O, CO2, diamond
Cu, Fe
Typické správanie
Vysoká teplota topenia, krehkosť, vedie elektrický prúd iba v roztavenom stave alebo v roztoku
Určité molekulové tvary, nízke teploty varu (molekulové pevné látky)
Ako pevná látka vedie prúd, je kujná a lesklá
Rozdiel elektronegativity ΔEN rozdeľuje kontinuum: pri 0 je zdieľanie rovnaké (nepolárna kovalentná väzba), okolo 0,4–1,7 je nerovnomerné (polárna kovalentná väzba) a nad približne 1,7 spravidla vyhráva úplný opis prenosu. Elektronegativita rastie doprava a nahor v periodickej tabuľke, preto F ťahá najsilnejšie zo všetkých.
Polarita väzby verzus polarita molekuly
Polárna väzba má dipól väzby — malý vektor smerujúci od kladného konca k zápornému (elektrón chtivému) atómu. To, či je molekula polárna, je otázka geometrie: vektory sa sčítajú. CO2 aj H2O obsahujú silno polárne väzby, ale CO2 je lineárny (AX2, 180°), takže jeho dva dipóly smerujú opačne a rušia sa, zatiaľ čo H2O je lomený (AX2E2, 104,5°), takže sa zosilňujú na čistý dipól 1,85 D. Panel Polarita vyššie spúšťa presne túto úvahu pre každú geometriu.
VSEPR: tvar z počítaných domén
Teória odpudzovania elektrónových párov vo valenčnej vrstve predpovedá tvar počítaním elektrónových domén okolo centrálneho atómu — každá jednoduchá, dvojitá alebo trojitá väzba sa počíta ako jedna doména, rovnako ako každý voľný pár. Dve domény sa usporiadajú lineárne, tri trigonálne planárne, štyri tetraedricky, päť trigonálne bipyramidálne, šesť oktaedricky. Zápis AXE zaznamenáva výsledok: centrálny atóm A, Xn viazaných atómov, Em voľných párov. Sleduje sa, ako sa uhly zmenšujú, keď voľné páry nahrádzajú väzby v izoelektronickej rade CH4 (109,5°) → NH3 (107°) → H2O (104,5°): tie isté štyri domény, no viac z nich voľných. Molekulová geometria sa líši od geometrie elektrónových domén vždy, keď existujú voľné páry — domény vody sú tetraedrické, hoci atómy tvoria lomený tvar. Preto dva voľné páry vody ohýbajú molekulu na 104,5°, zatiaľ čo dve dvojité väzby CO2 ju nechávajú pevne lineárnu.
Hybridizácia a formálny náboj
Teória väzby vo valenčnej vrstve vysvetľuje usmernené väzby týchto geometrií zmiešaním s a p orbitálov atómu do hybridov, ktoré ukazujú tam, kam ukazujú domény: 2 domény → sp (180°), 3 → sp² (120°), 4 → sp³ (109,5°), 5 → sp³d, 6 → sp³d². Označenie treba brať ako účtovanie pre „toľko rovnocenných smerov“, nie ako doslovný recept. Formálny náboj je doplnkové účtovanie pre to, ktorú Lewisovu štruktúru nakresliť: FC = valenčné elektróny − elektróny voľných párov − polovica väzbových elektrónov. Uhlík v CH4 dostane 4 − 0 − 4 = 0; najlepšia štruktúra je tá, ktorá minimalizuje formálne náboje a odstráni ich z vnútra. Rezonancia je čestné priznanie, že jedna kresba nestačí — obe väzby S–O v SO2 sú rovnocenné s rádom väzby 1,5, nie striedavo jednoduché a dvojité.
Flexibilita oktetu
Atómy druhej periódy (C, N, O, F) sú prísne obmedzené na osem elektrónov. Ďalej sa pravidlá uvoľňujú: BF3 prežíva so šiestimi okolo bóru (čím je hladným akceptorom elektrónového páru), zatiaľ čo atómy tretej periódy a ťažšie sa rozširujú bez protestu — PCl5 a SF6 držia 10 a 12, a XeF4 zmestí štyri väzby plus dva voľné páry do oktaedrického usporiadania, ktoré sa sploští na štvorcovo planárne.
Časté omyly
Polárne väzby robia polárnu molekulu. Len vtedy, keď geometria neodstráni ich účinok — CO2, BF3, CH4, SF6 a XeF4 všetky obsahujú polárne alebo rovnaké väzby usporiadané dostatočne symetricky, aby boli nepolárne.
Dvojitá väzba sú dve domény. Odpudzuje ako jedna tučná doména; dve dvojité väzby C=O v CO2 stále dávajú sterické číslo 2 a lineárny tvar.
Molekulová geometria = elektrónová geometria. Platí len pri nulovom počte voľných párov; domény NH3 sú tetraedrické, jeho atómy trigonálne pyramídové.
Lewisova štruktúra je molekula. Je to účtovný náčrt; rezonancia (SO2), delokalizácia (benzén) a meranie (obe väzby S–O sú rovnaké) bežne prevážia akúkoľvek jednu kresbu.
