VSEPR

VSEPR, Valence Shell Electron Pair Repulsion, je teorie, která předpovídá rozložení vazebných elektronových párů v prostoru a tím i tvar molekuly. Tato teorie je použitelná pouze pro sloučeniny nepřechodných prvků.

Obsah

Teorie byla poprvé formulována v roce 1939 Ryutarem Tsuchidou, v roce 1957 pak byla rozšířena a upravena Ronaldem Gillespie a Ronaldem Sydney Neyholmem, aby byla schopná poskytnout výběr několika alternativních geometrií.

Platí tři základní pravidla:

Elektronové páry centrálního atomu se v prostoru rozmístí tak, aby byly co nejdále od sebe a měly minimální energii.
Nevazebný elektronový pár odpuzuje ostatní elektronové páry nejvíce, odpuzování vazebných elektronových párů je slabší a klesá v pořadí trojná vazba > dvojná vazba > jednoduchá vazba. Vazba k elektropozitivnějšímu atomu vykazuje větší odpuzování než vazba k atomu s vyšší elektronegativitou.
Tvar molekuly je dán pouze polohou vazebných elektronových párů.

Konkrétní ukázky aplikace jsou v tomto článku.

Notace AXE

Pro potřeby VSEPRu používáme k označování molekul notaci AXE, symbolem A označujeme centrální atom, X jsou ligandy a E nevazebné elektronové páry. Např. CO₂ označíme jako AX₂ a SO₂ jako AX₂E. Takto můžeme snadněji určit výchozí tvar a následně konečný tvar molekuly.

Výchozí tvary

Při určování tvaru molekuly nejprve spočítáme počet vazebných (σ) i nevazebných elektronových párů, celkový počet párů nám určí výchozí tvar.

Počet párů	Hybridizace	Tvar
2	sp	lineární
3	sp²	trojúhelník
4	sp³	tetraedr
5	sp³d	trigonální bipyramida
6	sp³d²	oktaedr
7	sp³d³	pentagonální bipyramida

Určení tvaru molekuly

Pokud nejsou na centrálním atomu žádné volné páry, odpovídá tvar molekuly příslušnému výchozímu tvaru, v případě že nejsou všechny ligandy shodné, dochází k deformaci úhlů, tak aby odpuzování elektronových párů bylo minimální. V případě vazeb stejného řádu, rozhoduje o míře odpuzování elektronegativita atomu, který je navázán na centrální atom. Síla repulze (odpuzování) klesá v pořadí:

nevazebný elektronový pár > trojná vazba > dvojná vazba > jednoduchá vazba

Čím bude elektronová hustota v blízkosti centrálního atomu vyšší (tzn. čím bude elektronegativita navázaného atomu nižší), tím bude odpuzování silnější.

Dva elektronové páry

Molekuly typu AX₂ (např. CO₂) i AXE (např. CO) jsou vždy lineární, vazebný úhel je 180°.

Tři elektronové páry

Výchozím tvarem je rovnostranný trojúhelník, např. pro BCl₃, vazebné úhly jsou 120°. Pokud je jeden elektronový pár nevazebný, je tvar molekuly lomený s vazebným úhlem menším než 120°, např. u SO₂.

AX3 – rovnostranný trojúhleník

AX2 – lomenná molekula

Čtyři elektronové páry

Výchozím tvarem je tetraedr, kde jsou vazebné úhly 109,5°, příkladem může být molekula methanu (CH₄). Pokud je jeden pár nevazebný, získáme trojbokou pyramidu (NH₃), úhly jsou menší než 109,5°. Pokud jsou dva páry nevazebné, je tvar molekuly lomený (H₂O) s úhlem menším než 109,5°.

AX4 – tetraedr

AX3E – trojboká pyramida

AX2E2 – lomenná molekula

Pět elektronových párů

Výchozím tvarem je trojboká bipyramida, vazebné úhly jsou v equatoriální rovině (trojúhelníková podstava) 120° a mezi axiální a equatoriální rovinou 90°, z toho důvodu volné elektronové páry obsazují equatoriální rovinu. takže PCl₅ má tvar trojboké bipyramidy. SF₄ má tvar, který se označuje jako houpačka, úhly jsou 90° a 120°.

AX5 – trojboká pyramida

AX4E – houpačka

Pokud jsou dva elektronové páry nevazebné, získáme tvar T, s úhlem 90°, jde např. o ClF₃. V případě tří nevazebných elektronových párů získáme lineární tvar, jde např. o XeF₂.

Šest elektronových párů

Výchozím tvarem je oktaedr, se všemi úhly 90°, např. SF₆. V případě, že je jeden elektronový pátr nevazebný, např. u BrF₅, získáme čtyřbokou pyramidu, s úhly menšími než 90°. Dva nevazebné elektronové páry, např. u XeF₄, obsadí protilehlé pozice, tzn. že molekula má tvar čtverce.

Sedm elektronových párů

Výchozím tvarem je pentagonální bipyramida, vazebné úhly v ekvatoriální rovině jsou 72°, a mezi axiálními a ekvatoriálními ligandy 90°. Příkladem je interhalogenid IF₇. V případě, že je jeden elektronový pátr nevazebný, např. u XeOF₅^–, získáme pentagonální pyramidu. Dva nevazebné elektronové páry, např. u aniontu XeF₅^–, obsadí protilehlé pozice, tzn. že molekula bude planární, tvar pětiúhelníku.

Vliv elektronegativity

Elektronegativita atomů ovlivňuje rozložení elektronové hustoty podél chemické vazby. Snižování elektronové hustoty v blízkosti centrálního atomu způsobuje zmenšování repulze a tím i zmenšování vazebných úhlů. Můžeme si to demonstrovat na halogenidech fosforitých.

Halogenid	PF₃	PCl₃	PBr₃
Elektronegativita halogenu	3,98	3,16	2,96
Rozdíl elektronegativit (P-X)	1,79	0,97	0,77
Vazebný úhel XPX	97,8°	100,3°	101,0°

Nejelektronegativnějším halogenem je samozřejmě fluor, ve fluoridu fosforitém je tedy elektronová hustota silně přesunuta k fluoridům, z toho důvodu je odpuzování vazebných elektronových párů menší a tím dochází k největší deformaci vazebného úhlu (deformaci způsobuje nevazebný elektronový pár na fosforu).

Se snižující se elektronegativitou halogenu se zvyšuje elektronová hustota v blízkosti centrálního atomu, což způsobuje zvyšování repulze a zvětšování vazebného úhlu.

Podobnou závislost pozorujeme i halogenidů arsenitých, hodnoty vazebných úhlů jsou zde ovlivněny i velikostí centrálního atomu:

Halogenid	AsF₃	AsCl₃	AsBr₃
Elektronegativita halogenu	3,98	3,16	2,96
Rozdíl elektronegativit (P-X)	1,80	0,98	0,78
Vazebný úhel XPX	95,8°	98,9°	99,8°

Vliv velikosti atomů

S rostoucím poloměrem centrálního atomu dochází ke snižování velikosti vazebného úhlu, to je způsobeno prodlužováním vazby mezi centrálním atomem a ligandy.

Molekula	H₂S	H₂Se	H₂Te
Vazebný úhel [°]	92,1	91	90

Se zvětšováním velikosti ligandu dochází ke zvětšování vazebného úhlu, to je způsobeno sterickými (prostorovými) faktory.